JP2001082786A - 暖房・換気・空調装置の集中制御および障害検出システム - Google Patents

暖房・換気・空調装置の集中制御および障害検出システム

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JP2001082786A
JP2001082786A JP2000235093A JP2000235093A JP2001082786A JP 2001082786 A JP2001082786 A JP 2001082786A JP 2000235093 A JP2000235093 A JP 2000235093A JP 2000235093 A JP2000235093 A JP 2000235093A JP 2001082786 A JP2001082786 A JP 2001082786A
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John E Seem
ジョン イー． シーム，
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Johnson Controls Technology Co
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Johnson Controls Technology Co
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、暖房・換気・空調システム（ＨＶ
ＡＣ）用の制御装置に関し、特に、上記システムの障害
状態を検出する機構に関する。 【解決手段】 障害検出は空気処理システム用の有限状
態機械制御装置で実施される。この方法は障害条件が存
在するかどうかを決定するために現状でのおよび遷移の
発生におけるシステム性能に関するデータを使用してい
る。障害検出は空気処理装置の演算モデルに対するシス
テム制御の飽和、または、実際の性能比較に基づいてい
る。従って、制御は障害検出のために定常状態動作であ
る必要はない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、暖房・換気・空調
システム（ＨＶＡＣ）用の制御装置に関し、特に、上記
システムの障害状態を検出する機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】中央空気処理システムはビル内の室内に
調整された空気を供給する。種々のこのようなシステム
は一定量兼可変風量空気処理装置（Ａ．Ｕ．）として存
在する。図１に示される典型的な空気処理装置１０にお
いて、空気は戻りファン１２により吸引されて戻り空気
ダクト１１を介して調整された部屋に戻る。排出ダンパ
ー１３および再循環ダンパー１４の位置に依存して、戻
り空気はビル外に排出されたり、戻り空気ダクト１１か
ら混合空気室１５に送られ、再循環空気になる。混合空
気室１５において、入力ダンパー１６を介して吸引され
た新鮮な外気は再循環空気と混合され、混合気はフィル
ター１７、冷却コイル１８、加熱コイル１９、供給ファ
ン２０を通過する．外部および再循環空気流の温度およ
び流速は混合空気室の出口の条件を決定する．シーケン
ス制御手段が正常に実施され、システムにバルブ漏れま
たは他の障害が無いものと仮定すると、冷却コイル１８
または加熱コイル１９のみが任意の時間に活性状態にな
る。これらのコイルにより条件化された後、空気は供給
空気ダクト２１を介して各ゾーンに分配される。
【０００３】空気処理装置１０の冷却コイル１８、加熱
コイル１９、およびダンパー１３、１４、１６は、供給
空気温度を任意の時間に所望の値に維持する様に活性化
させるシステム部品の適切な組合せを決定する制御論理
を有するフィードバック制御装置２２により運転され
る。制御装置２２は各部屋に供給される空気を効果的に
条件付けるためにコイル１８および１９により与えられ
る機械的冷却または加熱により外気の混合を調整する制
御手段を実行する。このような制御は各部屋内およびビ
ル外および空気処理装置１０内の条件に関する正確なセ
ンサーデータを受信する事に基づいている。制御装置２
２は供給空気温度の所望の温度（制御設定値）を示すラ
イン２６の入力信号を受信する。外気温センサー２３は
システムに入る空気の温度を示す信号を出力し、供給空
気温度センサー２４は供給空気ダクト２１に供給される
空気の温度を示す信号を出力する。追加センサー２５は
戻り空気ダクト１１内の空気温度を検出するように設置
できる。
【０００４】空気処理装置１０の動作に悪影響を与える
多数の障害が生じる可能性がある。例えば、完全な障
害、不正確な信号または過大な信号ノイズのようなセン
サーエラーが誤動作を発生させる。さらに、誤差は、動
作不能または漏れのあるダンパーおよび加熱コイル１８
や冷却コイル１９用のバルブ、およびファンのトラブル
で生じるかもしれない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】障害に関連した問題に
影響されない強い制御システムを提供する従来の解決法
は同一物理量を測定する複数のセンサーおよび障害を直
接検出し診断する特別のセンサーを利用することであ
る。他の解決法は処理変数が閾値と比較される制限チェ
ック法、問題を診断するスペクトラム法、および論理推
理解決法等である。
【０００６】ＨＶＡＣ用の従来の障害検出および診断技
術の多くはシステムが定常状態動作に達した後システム
を分析することに基づいている。プロセス入力および出
力の観測結果はシステムが定常状態で動作したかどうか
を決定する定常状態検出システムに入る。もしシステム
が定常条件に達すると、障害検出システムは障害がある
かどうかを決定できる。もしシステムが定常条件に達し
ないと、障害検出システムはシステムが定常状態に無い
との命令を発生する。非定常動作は誤って調整された制
御システム、過剰に開いたバルブまたは劣った認可品の
制御バルブにより生じる。
【０００７】ＨＶＡＣ産業は非常にコストに神経質であ
る。従って、ＨＶＡＣシステムにほとんどセンサーが設
けられないことがあり、少数のパラメータのみが監視さ
れる場合障害検出を困難にする。さらに、ＨＶＡＣ装置
の動作は非線形であり、負荷は時間により変わり、これ
らの要因は正確な障害検出をさらに複雑にする。
【０００８】本発明の目的は上述した問題点を解消する
暖房・換気・空調システム（ＨＶＡＣ）用の制御装置を
提供することにある。特に、本発明の目的は障害状態を
検出するＨＶＡＣ用の制御システムを提供することであ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は有限状態機械制
御装置により動作する空気処理システムの集中制御兼障
害検出のための新規な方法である。この方法は追加のセ
ンサー類を内蔵することなく既存の空気処理装置におけ
る障害を検出するために使用可能である。制御システム
は障害検出を実行するために定常状態動作である必要が
ない。即ち、制御ループは不満足な調整、または開きす
ぎのバルブによる制限サイクル、または劣った認可品バ
ルブにより発振する可能性がある。この制御方法は障害
許容型であり、もし障害が検出されても、システムは空
気処理装置の制御を維持できる。この方法は、動作不能
になったダンパーやアクチュエータ、高すぎたり低すぎ
る換気、漏れている空気ダンパー、閉鎖した加熱および
冷却バルブを流れる漏れのような空気処理装置における
多数の障害を検出できる。
【００１０】この障害検出方法はＨＶＡＣシステムの性
能に関する動作データを収集する工程を有する。動作デ
ータは、有限状態機械制御装置が動作している現在状
態、または発生した任意の遷移のための予め決められた
基準に対して時々評価される。この評価に基づいて、障
害条件が存在するかどうかが決定される。
【００１１】好ましい実施例において、動作データは任
意の状態にある場合にチェックされ、制御装置が他の状
態への遷移により克服できない方法で、ＨＶＡＣシステ
ム制御が飽和されるかどうかを決定する。ビルの環境を
十分に制御できずに、制御装置が所定の期間任意の動作
モードにある時、飽和が生じる。例えば、制御装置は機
械的な加熱モードにあるが、環境を所望の温度に暖房で
きない。
【００１２】好ましくは、障害検出方法により、制御状
態間の遷移の発生時、実際の性能をＨＶＡＣシステムの
モデルと比較する。このような比較により、実際の性能
がモデルに一致する程度を示す残差値を発生する。残差
値の大きさは障害条件が存在するかどうかおよびその可
能性があるかを決定するために使用される。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１および図２を参照すると、空
気処理制御装置２２は空気処理装置１０の構成部のシー
ケンス制御を提供する有限状態機械を実行するためにプ
ログラムされる。好ましい実施例において、状態１−加
熱（Ｓｔａｔｅ １−Ｈｅａｔｉｎｇ）、状態２−自由
冷却（Ｓｔａｔｅ ２−Ｆｒｅｅ ｃｏｏｌｉｎｇ）、
状態３−最大外気による機械的冷却（Ｓｔａｔｅ ３−
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｗｉｔｈ Ｍ
ａｘｉｍｕｍ Ｏｕｔｄｏｏｒ Ａｉｒ）、および状態
４−最小外気による機械的冷却（Ｓｔａｔｅ ４−Ｍｅ
ｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｗｉｔｈ Ｍｉｎ
ｉｍｕｍ Ｏｕｔｄｏｏｒ Ａｉｒ）を含む４状態があ
る。温度センサー２３と２４からの信号と、ダンパー１
３、１４および１６の位置と、空気処理装置１０の他の
条件は一状態から他の状態への遷移が生じるとき決定す
るようにチェックされる。
【００１４】状態１−加熱において、フィードバック制
御は加熱コイル１９から空気に伝達されるエネルギー量
を調整するために使用される。蒸気または電熱ヒータが
使用できるので、この実施例の空気処理装置１０は温水
加熱コイル１９を採用する。ダンパー１３、１４および
１６は循環のために要求される外気の最小量を与える様
に位置決めされ、冷却コイルバルブ２７が閉鎖される。
【００１５】制御装置２２の出力が非加熱位置で飽和さ
れた後、状態２への遷移が生じる。飽和は、関連する部
屋の環境を充分に制御することなく、所定の期間任意の
モードに留まる制御装置として定義される。飽和は、後
述するように、別の状態、または、障害条件への遷移の
必要を示している。非加熱モードにおいて、加熱が所定
期間要求されず且つ供給空気温度が設定値より大きい場
合に、飽和が生じるように考慮される。例えば、所定期
間は、別の遷移が生じる前の状態１への遷移後に経過し
なければならない期間である状態遷移遅延に等しい。こ
の状態遷移遅延により１対の状態間での発振が防止され
る。
【００１６】状態２−自由冷却において、供給空気温度
を設定値に維持するために、フィードバック制御は空気
処理装置ダンパー１３、１４および１６の位置を調節す
るために使用される。ダンパーの位置を調節することに
より、ダクト２１内の供給空気流の外気と戻り空気の相
対量を変化させる。新鮮な空気を調節されたビル空間に
供給するために、ある量の空気がシステム内に常に引き
込まれることが理解されるべきである。状態２におい
て、加熱コイルバルブ２７および加熱冷却コイル２９が
閉鎖される。状態１に戻る遷移はダンパー１３、１４お
よび１６の制御が状態遷移遅延に等しい期間最小外気位
置に合った後生じ、供給空気温度は設定値より低い。こ
の条件は機械的加熱が要求されることを示している。状
態３への遷移は状態遷移遅延に等しい期間最大外気位置
に合った後生じ、供給空気温度は設定値より高い。
【００１７】状態３−最大外気による機械的冷却におい
て、フィードバック制御は冷却コイル１８に流れる冷却
水を調整するために使用され、空気から抽出されるエネ
ルギー量を制御する。外気入力ダンパー１６と排出ダン
パー１３は十分に開放位置に設定され、再循環ダンパー
は閉鎖され、加熱コイルバルブ２９は閉鎖される。状態
２の遷移は機械的冷却の制御信号が状態遷移遅延に等し
い期間冷却位置で飽和した後生じ、供給空気温度は設定
値より低い。
【００１８】節約装置論理が状態３から状態４への遷移
を制御するために使用される。例示したシステムにおい
て、外気温度は遷移点を決定するために使用される。状
態４への遷移は外気温度が（切替え値＋デッドバンド
量）、例えば、約摂氏０．５６度以上である場合に生じ
る。デッドバンド量により空気温度センサーの読みとり
値が雑音により状態３と４間を循環するのを防止する。
状態４への遷移を制御するために使用される温度に基づ
く節約装置論理の変形として、当業界で既知であるよう
に、エンタルピーまたは組合せエンタルピー温度節約装
置論理が使用できる。
【００１９】状態４―最小外気による機械的冷却は冷却
コイル１８に流れる冷却水の流れを調節するフィードバ
ック制御を使用し、空気から抽出されるエネルギー量を
制御する。しかしながら、この場合、外気入力ダンパー
１６は最小外気位置に設定される。節約装置論理は状態
３への遷移を決定するために使用される。この遷移はセ
ンサー２３により示される外気温度が（切替え値−デッ
ドバンド量）以下である場合に生じる。
【００２０】制御装置２２は現在の状態または発生した
遷移に基づく障害検出を内蔵している。図３のブロック
図は有限状態機械（マシン）３０で障害検出の積分を示
す。詳細に示されるように、障害検出は３つのケースに
生じる、即ち、（１）ある条件が任意の状態で生じると
き、（２）ポイントシステム動作パラメータが演算シス
テムモデルと比較される状態遷移が生じるとき、（３）
任意の状態の動作パラメータを演算システムモデルと比
較するために入手可能な十分な有効センサーデータがあ
るとき。
【００２１】第１のケースにおいて、制御が別の状態へ
の遷移により克服されまたは解決できない方法で飽和す
る場合に障害条件が宣言される。その後、飽和条件およ
びシステム性能パラメータに関する情報は、ライン３４
で示されるように、有限状態機械ソフトウエア３０から
障害解析ルーチン３２に通過する。もし指示がシステム
オペレータに与えられるかプロセス制御が有限状態機械
ソフトウエア３０に戻る場合に障害があるかどうかを、
制御装置２２により実施される障害解析ルーチン３２が
決定する。
【００２２】第２のケースでは、特有の遷移が生じる
と、ＨＶＡＣシステム動作の観測結果が有限状態機械プ
ログラム３０から、システムの質量およびエネルギー平
衡に基づく残差を決定するモデルに基づく残差発生ソフ
トウエアルーチン３６に通過する。残差は障害解析ルー
チン３２に送られる。もし障害があれば、有限状態機械
は動作モードを切り替え、障害にかかわらず制御を維持
できる。即ち、制御装置は障害条件に関わらずビル環境
の最良制御を提供し続ける状態に入る。
【００２３】第３のケースにおいて、不十分で信頼でき
るセンサーデータが提供されると、残差が現在の状態内
で決定される。決定するために、ＨＶＡＣシステム動作
の観測結果は有限状態機械プログラム３０から、システ
ムの質量およびエネルギー平衡に基づく残差を決定する
モデルに基づく残差発生ソフトウエアルーチン３６に通
過する。
【００２４】障害検出の高度化は空気処理装置１０に内
蔵されたセンサーの数の関数である。以下は異なる型の
センサーを有する４つのシステム説明である。
【００２５】システム １ 戻り空気温度センサー２５でなく、外気温度センサー２
３および供給空気温度センサー２４のみを有する図１に
示される空気処理装置１０の第１の実施例を考慮しよ
う。図２を参照して、各状態の有限状態機械は非遷移飽
和条件が存在するかどうかを監視する。第１の状態にお
いて、加熱コイル１９は供給空気温度を設定値に維持す
るために制御される。ダンパー１３、１４および１６は
最小外気のために位置決めされ、機械的な冷却は実施さ
れず、即ち、冷却水バルブ２７が閉鎖される。
【００２６】もし制御装置２２が空気を設定温度に加熱
できない最大加熱位置で制御器出力が飽和すると障害が
存在する。この飽和条件は、小さすぎるシステムの加熱
容量、加熱コイル１９用の汚れた熱交換機、動作不能な
加熱バルブ２９、閉鎖時に漏れる冷却コイルバルブ２
７、動作不能なダンパー、または低すぎる温水または蒸
気源用の低すぎる温度に起因する。障害条件が存在する
ことを考慮すると、制御装置はビルのＨＶＡＣシステム
オペレータに障害指示と可能性のある原因のリストを提
供する。
【００２７】状態２において、ダンパー１３、１４およ
び１６は供給空気温度を制御するために使用される。加
熱または機械的冷却が無いので、設定温度に達成できな
い場合は状態１または３への遷移になる。したがって、
障害はこの状態で宣言できない。状態３への遷移はβ／
Ｓ用語を用いて示される。ここで、βは遷移トリガ事象
であり、Ｓは遷移時に発生する動作である。この場合、
動作は外気温度と供給空気温度の比較である。
【００２８】状態３において、冷却コイル１８は、各部
屋に導入される最大外気のために位置決めされたダンパ
ー１３、１４および１６により、供給空気温度を設定値
に維持するように制御される。明らかに、この状態では
加熱が無い。
【００２９】もし制御装置出力が最大冷却位置で飽和す
ると、障害が存在し、空気を充分に冷却できない。この
条件を生じる多数の誤差、即ち、不十分な冷却容量、冷
却コイル１８用の汚れた熱交換機、動作不能な冷却コイ
ルバルブ２７、閉鎖位置で漏れる加熱コイルバルブ２
９、または冷却水源用の高すぎる設定温度がある。
【００３０】状態４において、冷却コイル１８は最小外
気、非加熱に位置決めされたダンパー１３、１４および
１６により供給空気温度を維持するために制御される。
制御がシステムが空気を十分に冷却できないような最大
冷却位置で飽和されるとき、障害が状態４に存在する。
この障害の潜在的な原因は状態３の障害のそれと同じで
ある。
【００３１】また障害は、制御が外気温が供給空気温度
の設定値より高い場合の非冷却位置で飽和する場合に、
状態４に存在する。より高い外気温度は機械的な冷却の
必要を示すが、制御装置２２は冷却用の命令を発生しな
い。このモードの解説のみが空気が意図せずに冷却され
るか、センサー事故がある場合に該当する。
【００３２】この障害検出技術では選択された状態遷移
中取られるＨＶＡＣシステム動作についての観測結果を
調べる。これらの観測結果はシステムのエネルギー平衡
に基づいて残差を決定する残差発生ソフトウエアルーチ
ン３６に基づくモデルに適用される。残差は観測結果が
演算システムモデルにより予測されたシステム性能に一
致する程度を示す。残差の値は解析され、障害があるか
どうかを決定する。
【００３３】外気温度用のセンサー２３と供給空気温度
用のセンサー２４を有する例示のシステム１において、
状態２と３間の遷移のみが障害検出のために観測され
る。ダンパー制御は状態２において１００％の外気位置
で飽和すると、外気および供給空気温度が状態３への遷
移が生じる前に記録される。これらの値はこれらの２つ
の状態のシステムの演算モデルに使用される。
【００３４】このモデルにおいて、制御システムはダン
パー制御信号が１００％外気位置で飽和されるとほぼ定
常状態条件になければならない。システムが定常状態条
件にあると仮定し、図１の空気処理装置の制御容積部２
８を出入りする乾燥空気の質量平衡を実施すると以下の
式で与えられる。
【式１】 ここでｍ０は外部から制御容積部２８に入る乾燥空気の
質量であり、ｍｓは供給空気ダクトを通って制御容積部
を去る乾燥空気の質量である。水蒸気の質量平衡を実施
すると以下の式になる。
【式２】 ここで、ω０は外気と供給空気の湿度比であり、ωｓは
外気と供給空気の湿度比である。式（１）を式（２）に
代入すると、以下の式が与えられる。
【式３】 制御容積部を出入りする空気の運動エネルギーと位置エ
ネルギーが同じであると仮定し、制御容積部２８にエネ
ルギー平衡を実施すると以下の式が得られる。
【式４】 ここで、Ｗｆａｎは供給ファン２０により実施される仕
事であり、ｈｃは制御容積部２８に入る空気のエンタル
ピーであり、ｈｓは供給ダクトを介して制御容積部２８
を出る空気のエンタルピーである。
【００３５】空気がＨＶＡＣシステムで得られる温度で
理想の気体としてモデル化できると仮定すると、空気の
エンタルピーは下記式で与えられる。
【式５】 ここで、ｃｐは混合物の比熱であり、Ｔは温度であり、
ｈｇ０は基準状態での水蒸気のエンタルピーである。混
合物の比熱は下記式で決定される。
【式６】 ここで、Ｃｐａは乾燥空気の一定圧力での比熱であり、
Ｃｐｗは水蒸気の一定圧力での比熱である。式（５）を
式（４）に代入すると、以下の式が与えられる。
【式７】 式（１）と（３）を式（７）に代入し、温度差を求める
と以下の式が得られる。
【式８】 ここで、Ｔ０は制御容積部２８に入る空気の温度であ
り、Ｔｓは制御容積部を出る供給空気の温度である。温
度差はファンから得られるエネルギーに起因する。
【００３６】式（８）の右辺の変数は設計データから推
定可能である。記録された温度を使用して、制御器出力
が１００％外気位置で飽和された後、残差は下記式によ
り計算される。
【式９】 ここで、Ｔｓ、２→３とＴ０、２→３は、それぞれ、状
態２から状態３への遷移に続く供給空気温度および外気
温度であり、式（８）の右辺の変数上のシンボル^は推
定値を示す。残差は多くの理由、即ち、センサー誤差、
推定値誤差、モデル化誤差、または障害により零でない
かもしれない。
【００３７】いくつかの方法がｒ１残差および他の残差
から障害を検出するために採用できる。例えば、残差が
高閾値以上になるか低閾値以下になると、障害が生ず
る。特定の閾値が各特有の型の空気処理装置のために経
験的に決定される。第２の障害検出方法において、残差
は記録され、時系列残差が意味のある変化を受ける場合
を決定するために統計的品質管理手法が使用される。意
味ある変化は下記文献の方法により決定される。例え
ば、Ｐ．Ｊ．Ｒｏｕｓｓｅｅｕｗ等による「アウトライ
アー検出方法」（Ｒｏｂｕｓｔ Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ
ａｎｄ Ｏｕｔｌｉｅｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ、 Ｗ
ｉｌｅｙ、 Ｓｅｒｉｅｓ ｉｎ Ｐｒｏｂａｂｉｌｉ
ｔｙ ａｎｄ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ Ｓｔａｔｉ
ｓｔｉｃｓ、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ、
１９８７）、Ｂａｓｓｅｖｉｌｌｅａｎｄ Ｎｉｋｉｆ
ｏｒｏｖ等による「急激な変化を検出する方法」（Ｄｅ
ｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｂｒｕｐｔ Ｃｈａｎｇｅ
ｓ： Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｓ、 Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ ｉｎｆｏｒｍａｔ
ｉｏｎ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｅ
ｒｉｅｓ、 Ａｐｒｉｌ １９９３）、または Ｄ．
Ｃ． Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙによる「統計的品質管理」
（Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃ
ａｌ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ、 ３版、 Ｊ
ｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ、Ａｕｇｕｓｔ １
９９６）。
【００３８】状態３から状態２への遷移は制御信号が非
冷却位置で飽和された後生じる。供給空気温度と外気温
度は記録される。残差は下記の式により決定される。
【式１０】 式（１０）は前に述べた式（９）と同じ方法で展開され
る。このモデルに基づく残差は障害が生じるとき決定す
るのに使用される。
【００３９】状態４において、冷却コイル１８は供給空
気温度を設定値に維持するために制御される。また、外
気温度と戻り空気温度は供給空気温度より高い。従っ
て、混合空気温度は供給空気温度より高くなる。もし冷
却コイル１８用の制御信号が非冷却位置で飽和される
と、障害が起こる。障害の２つの可能性のある原因は開
口位置で動作不能になった冷却コイルバルブ１８または
間違ったセンサ読み取り値である。制御手法は、もし障
害が生じると、制御が状態４から状態１に切り替わり障
害を正すことができる障害許容型である。動作不動にな
った冷却コイルバルブの場合には、エネルギーが消費さ
れるが、供給空気温度の制御は維持される。もし状態遷
移図が状態４から状態１への遷移を持っていないと、制
御はこの障害克服のために維持されない。
【００４０】システム ２ 図４は供給空気温度センサー２３、外気温度センサー２
４、および戻り空気温度センサー２５を有する単一ダク
ト空気処理装置１０の集中制御および診断のための状態
遷移図を示している。システム２の障害検出は前述のシ
ステム１に等価である。但し、状態１と２間の遷移で、
外気の最小量が見積もられる。この概算された最小外気
量はそのパラメータの設計値と比較される。
【００４１】外気の最小量を見積る式は以下の式で与え
られる図１の制御容積部２８を出入りする乾燥空気の質
量平衡を実施することにより得られる。
【式１１】 ここで、ｍ０は乾燥戻り空気の質量である。制御容積部
に定常エネルギー平衡を実施することにより以下の式が
得られる。
【式１２】 ここで、ｈｒは戻り空気のエンタルピーである。式（１
１）の解を式（１２）のｍｒに代入し、結果を移行する
と、供給空気に対する外気の一部のための次式が得られ
る。
【式１３】 空気のエンタルピーは次式から決定される。
【式１４】 以上の式から、２つの空気流の混合空気条件を決定する
とき、空調技術者は以下の近似式を使用する場合があ
る。
【式１５】 式（１５）を式（１３）に代入すると、以下の式で外気
の一部を与える。
【式１６】 以下の式は、状態１から状態２への遷移中の外気（ｆ）
の一部を概算するために使用できる。
【式１７】 ここで、Ｔｓ、１→２、Ｔｒ、１→２およびＴ
０、１→２は、それぞれ、状態１から状態２への遷移で
の供給空気温度、戻り空気温度および外気温度である。
【００４２】ＨＶＡＣシステムは設計される場合、外気
の所望の最小量が循環条件に合致するように計算され
る。実際の外気の一部は通常外気の概算量と異なる。セ
ンサーやモデル化誤差を考慮した後、もし外気の所望の
微少量が外気の概算量とかなり違うと、障害解析により
障害命令を発生しなければならない。以下の残差が次式
により外気の所望の最小量から決定される。
【式１８】 状態２から状態１への遷移中の外気の一部は次式で見積
もられる。
【式１９】 ここで、Ｔｓ、２→１、Ｔｒ、２→１およびＴ
０、２→１は、それぞれ、状態１から状態２への遷移で
の供給空気温度、戻り空気温度および外気温度である。
次式は概算された最小量外気および設計最小量外気に基
づく残差である。
【式２０】 式（１９）および（２０）は式（１７）および（１８）
と類似の方法で展開される。
【００４３】システム ３ 図５は、供給空気センサー２３、混合空気温度センサー
２８、および外気温度センサー２４を有する図６の単一
のダクト空気処理装置５０の集中制御および診断のため
の状態遷移図を示す。システム３用の障害検出はシステ
ム１に等価である。但し、状態２および３の動作と、状
態２と３間の遷移を有する。４つの追加残差がシステム
３用に決定される。即ち、４つの残差は、状態２で決定
される残差と、状態３で決定される残差と、状態１から
状態３への遷移中決定される残差と、状態３から状態２
への遷移中に決定される残差を含む。
【００４４】状態２の残差は図６に示される制御容積部
４０に質量およびエネルギー平衡を実施することにより
決定される。乾燥空気および水蒸気の質量平衡は以下の
式で与えられる。
【式２１】
【式２２】 ここで、ｍ０は混合空気の質量であり、ωｓは混合空気
対湿度比である。式（２１）と（２２）を代入すると、
下記式が得られる。
【式２３】 図６の制御容積部４０にエネルギー平衡を実施すると、
下記式が得られる。
【式２４】 式（２４）は制御容積部を出入りする空気の運動エネル
ギーと位置エネルギーが同一であると仮定する。式
（５）、（２１）および（２３）を式（２４）を代入
し、結果を再配列すると、下記式が得られる。
【式２５】 式（２５）は供給空気温度と混合空気温度間の温度上昇
がファンからのエネルギー入力に起因することを表す。
【００４５】状態２において、供給空気温度と混合空気
温度が測定される。残差は以下の式から計算される。
【式２６】 ここで、Ｔｓ、２とＴｍ、２はそれぞれ状態２における
供給空気温度と混合空気温度である。
【００４６】状態３において、冷却コイル１８は供給空
気温度を設定値に維持するように制御される。ダンパー
１３、１４および１６は１００％外気がこの状態で再循
環空気の無い状態で空気処理装置５０に入るように位置
決めされる。
【００４７】図６の制御容積部を出入りする乾燥空気の
質量平衡を実施すると次式が得られる。
【式２７】 水蒸気に質量平衡を実施すると次式が得られる。
【式２８】 図６の制御容積部にエネルギー平衡を実施すると、次式
になる。
【式２９】 式（２９）は制御容積部の運動エネルギーと位置エネル
ギーが同一であると仮定する。式（１４）、（２７）お
よび（２８）を式（２９）に代入すると、下記式が得ら
れる。
【式３０】 式（３０）は外気温度が状態３である場合混合空気温度
に等しいことを表す。センサー誤差、モデル化誤差、ま
たは障害のため、外気温度は混合空気温度に対して等し
くならない。障害解析の残差は下記式から決定できる。
【式３１】
【００４８】３つの追加の残差が状態２から状態３への
推移中に決定される。これらの残差の一つは式（９）か
ら決定される。他の二つの残差は図６に示される制御容
積部４０と４２を質量およびエネルギー平衡を実施する
ことにより決定される。
【００４９】以下の残差は以下の式により制御容積部４
０および４２の質量およびエネルギー平衡から決定され
る。
【式３２】
【式３３】 式（３２）は式（２６）と同様な方法で展開され、式
（３３）は式（３１）と同様な方法で得られる。
【００５０】状態３から状態２へに遷移中、以下の残差
が以下の式から観測結果に基づいて得られる。
【式３４】
【式３５】
【００５１】従来のシステムに関して、計算された残差
は障害条件が存在するかどうか決定するためにチェック
される。この障害検出プロセスは時系列の残差が意味の
ある変化を受けるとき決定するために、残差を閾値と比
較する、または統計的手法を使用する工程からなる。
【００５２】システム ４ 図７は、図６のように、外気温度センサー２３、供給空
気温度センサー２４、戻り空気温度センサー２５、およ
び混合空気温度センサー２８を有する空気処理装置５０
を制御するための状態遷移図を示す。
【００５３】このシステムの状態１において、供給空気
温度は加熱コイル１９を制御し、加熱制御信号の飽和状
態を調べることにより維持される。もし加熱制御信号が
最大加熱位置で飽和されると障害が存在する。少量の外
気の概算は戻り温度読み取り値、外気温度読み取り値、
混合空気温度読み取り値から決定される。少量の外気を
推定するために、質量およびエネルギー平衡が図６に示
される制御容積部４２に実施される。乾燥空気と水蒸気
に質量平衡を実施すると次式が得られる。
【式３６】 エネルギー平衡を実施すると下記式になる。
【式３７】 式（３６）と（１５）を式（３７）に代入し、混合空気
に対する外気のごく一部を解くことにより、次式が得ら
れる。
【式３８】 状態１において、ダンパーは換気に必要な外気の最小量
を可能にするように位置決めされる。ＨＶＡＣ技術者は
供給空気ダクト２１内の外気の所望の最小量を決定する
ために通常の方法を使用できる。外気の最小量と、戻り
空気ダクト１１、外気ダクト４６、混合空気ダクト４８
内で測定された温度を使用して、以下の残差が計算され
る。
【式３９】
【００５４】システム４の状態２において、ダンパー１
３、１４および１６は供給空気温度を制御するように調
整される。式（２６）は、前述のように、残差ｒ５を決
定するために使用され、別の残差が以下の式から決定さ
れる。
【式４０】 式（４０）は式（３９）と同様な方法で展開される。
【００５５】状態３において、ダンパー１３、１４およ
び１６は１００％外気が空気処理装置５０を流れる様に
位置決めされる。制御コイル１８は供給空気温度を制御
するように使用される。もし冷却コイル１８が最大冷却
位置で飽和すると、障害が存在する。式（３１）から決
定されるように残差ｒ６が顕著な変化を受けても、障害
が存在する。
【００５６】状態４において、ダンパー１３、１４およ
び１６が換気に必要な外気の最小量を受け入れるように
位置決めされ、冷却コイル１８は供給空気温度を所望の
設定値に維持するように使用される。もし冷却コイル１
８の制御信号が最大冷却または非冷却位置で飽和する
と、障害が存在する。さらに、残差ｒ１３が以下の式に
従ってこの状態で決定される。
【式４１】 残差式の右辺の分母が変わるので、残差ｒ１１、
ｒ１２、およびｒ１３の変数は異なることが推定され
る。
【００５７】他の残差がシステム４の選択された状態遷
移中得られる。状態１から状態２への遷移中、我々は式
（１８）で残差ｒ３を決定する。状態２から状態１への
遷移により残差ｒ４は式（２０）に従って得られる。状
態２から状態３への遷移中、３つの残差ｒ１、ｒ７およ
びｒ８がそれぞれ式（９）、（３２）および（３３）に
より計算される。状態３から状態２への遷移により、式
（１０）、（３４）および（３５）を使用して、それぞ
れ残差ｒ２、ｒ９およびｒ１０が得られる。
【００５８】
【発明の効果】以上の説明から、本発明によれば、ＨＶ
ＡＣシステムにおいて障害状態を検出する制御装置を提
供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は従来のＨＶＡＣシステムに使用された可
変風量空気処理装置の概略図である。
【図２】図２は空気処理装置における制御装置の動作用
の状態機械図である。
【図３】図３は制御装置により実行されるソフトウエア
により実行される集中制御兼障害検出システムの全体構
造のブロック図である。
【図４】図４は空気処理装置の第２の実施例における制
御装置の動作用の状態機械図である。
【図５】図５は空気処理装置の第３の実施例における制
御装置の動作用の状態機械図である。
【図６】図６は従来のＨＶＡＣシステムに使用された可
変風量空気処理装置の概略図である。
【図７】図７は空気処理装置の第４の実施例における制
御装置の動作用の状態機械図である。
【符号の説明】
１０ 空気処理装置 １３、１４、１６ ダンパー １９ 加熱コイル ２２ 空気処理制御装置 ２３ 温度センサー ２７、２９ 冷却コイルバルブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 598147400 49200 Ｈａｌｙａｒｄ Ｄｒｉｖｅ Ｐ ｌｙｍｏｕｔｈ， ＭＩ 48170 Ｕｎｉ ｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉ ｃａ

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ビル用の暖房・換気・空調（ＨＶＡＣ）
    システム用の有限状態機械制御装置であり、且つ複数の
    状態を有し、予め決められた条件の発生時に状態間の遷
    移を形成する前記状態機械装置において、障害検出方法
    が、 前記ＨＶＡＣシステムの性能に関する動作データを収集
    する工程と、 前記有限状態機械制御装置が動作している現在状態また
    は生じた任意の遷移のために予め決められた基準に対し
    て前記動作データを評価する工程と、 障害条件が生じるかどうかを決定する評価工程に基づく
    工程を具備することを特徴とする障害検出方法。
  2. 【請求項２】 前記予め決められた基準はＨＶＡＣシス
    テムの制御が現在状態で飽和したことを示すことを特徴
    とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記予め決められた基準はＨＶＡＣシス
    テムの制御が現在状態で飽和したことを示し、前記飽和
    は別の状態への遷移により克服できないことを特徴とす
    る請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記動作データを評価する工程は予め決
    められた遷移が状態間に生じると実施され、さらにＨＶ
    ＡＣシステムの性能をＨＶＡＣシステムの演算システム
    モデルと比較する工程を具備することを特徴とする請求
    項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記動作データを評価する工程は予め決
    められた遷移が状態間で生じると実施され、さらに、 残差を得るために、ＨＶＡＣシステムの性能を前記ＨＶ
    ＡＣシステムの演算システムモデルと比較する工程と、 前記残差に応答して、障害条件を宣言する工程と、を具
    備することを特徴とする請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記残差が数値を有し、前記障害条件が
    前記数値の大きさに応答して宣言されることを特徴とす
    る請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記残差の予め決められた変化の検出に
    応答して、前記残差が宣言されることを特徴とする請求
    項５記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記障害条件が前記残差の急変の検出に
    応答して宣言されることを特徴とする請求項５記載の方
    法。
  9. 【請求項９】 前記残差はビル外の気温、ＨＶＡＣシス
    テムにより供給された気温、ビルの一室からＨＶＡＣシ
    ステムに戻る空気の温度、およびビル外からの空気とＨ
    ＶＡＣシステムに戻る空気の混合空気の温度の少なくと
    も二つの関数であることを特徴とする請求項５記載の方
    法。
  10. 【請求項１０】 前記残差が前記ＨＶＡＣシステムによ
    り制御されるビルの空間を出入りする乾燥空気の質量平
    衡から導出されることを特徴とする請求項５記載の方
    法。
  11. 【請求項１１】 前記残差がＨＶＡＣシステムにより利
    用された外気の一部の関数であることを特徴とする請求
    項５記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記残差がＨＶＡＣシステムを出入り
    する空気のエネルギー平衡から導出されることを特徴と
    する請求項５記載の方法。
  13. 【請求項１３】 ビル用の暖房・換気・空調（ＨＶＡ
    Ｃ）システム用の有限状態機械制御装置であり、且つ複
    数の状態を有し、予め決められた条件の発生時に状態間
    の遷移を形成する前記状態機械装置において、障害検出
    方法が、 任意状態の前記ＨＶＡＣシステムの性能に関する動作デ
    ータを収集する工程と、 前記ＨＶＡＣシステムの制御が飽和を別の状態への遷移
    により克服できない任意の状態で飽和されると検出する
    工程と、 障害条件の発生を示す信号を出力する工程と、を具備す
    ることを特徴とする障害検出方法。
  14. 【請求項１４】 前記障害条件の原因の指示を発生する
    工程をさらに有することを特徴とする請求項１３記載の
    方法。
  15. 【請求項１５】 ビル用の暖房・換気・空調（ＨＶＡ
    Ｃ）システム用の有限状態機械制御装置であり、且つ複
    数の状態を有し、予め決められた条件が存在すると状態
    間の遷移を形成する前記状態機械装置において、障害検
    出方法が、 任意状態の前記ＨＶＡＣシステムの性能に関する動作デ
    ータを収集する工程と、 前記ＨＶＡＣシステムの性能をＨＶＡＣシステム性能の
    モデルと比較する工程と、 比較結果に応答して障害条件を宣言する工程と、を具備
    することを特徴とする障害検出方法。
  16. 【請求項１６】 時々比較する工程が遷移の発生に応答
    して実施されることを特徴とする請求項１５記載の方
    法。
  17. 【請求項１７】 時々比較する工程が残差を発生し、前
    記障害条件が前記残差値に応答して宣言されることを特
    徴とする請求項１５記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記障害条件が前記残差の予め決めら
    れた変化に応答して宣言されることを特徴とする請求項
    １７記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記障害条件が前記残差の急激な変化
    に応答して宣言されることを特徴とする請求項１７記載
    の方法。
  20. 【請求項２０】 前記残差はビル外の気温、ＨＶＡＣシ
    ステムにより供給された気温、ビルの一室からＨＶＡＣ
    システムに戻る空気の温度、およびビル外からの空気と
    ＨＶＡＣシステムに戻る空気の混合空気の温度の少なく
    とも二つの関数であることを特徴とする請求項１７記載
    の方法。
  21. 【請求項２１】 前記残差が前記ＨＶＡＣシステムによ
    り制御されるビルの空間を出入りする乾燥空気の質量平
    衡から導出されることを特徴とする請求項１７記載の方
    法。
  22. 【請求項２２】 前記残差がＨＶＡＣシステムにより利
    用された外気の一部の関数であることを特徴とする請求
    項１７記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記残差がＨＶＡＣシステムを出入り
    する空気のエネルギー平衡から導出されることを特徴と
    する請求項１７記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記障害条件の原因の指示を発生する
    工程をさらに有することを特徴とする請求項１５記載の
    方法。
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