JP2002257423A

JP2002257423A - 冷凍システム制御装置

Info

Publication number: JP2002257423A
Application number: JP2001051281A
Authority: JP
Inventors: Akira Shimada; 明島田
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2002-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】固定容量型気体圧縮機を簡素な構成で容量制
御可能とする冷凍システム制御装置を提供する。【解決手段】温度センサ５５により検出された制御温
度Ｔ_ｃから目標温度Ｔ_ｒとの間で温度偏差ΔＴを算出す
る。そして、この温度偏差ΔＴを０にすべくＰＩＤ等の
制御演算を行い、駆動部１０５より演算結果である駆動
電圧を電磁型吸入圧力調整弁８０の電磁コイル９１に印
加する。電磁コイル９１が励磁された場合には、磁性体
８５が吸引され、制御弁８１が開放する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は冷凍システム制御装
置に係わり、特に固定容量型気体圧縮機を簡素な構成で
容量制御可能とする冷凍システム制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１６に空調システムの全体簡略構成図
を示す。空調システムは、例えば車に搭載される。図１
６において、エバポレータ５１は、ファン５２による送
風により車室内空気の冷却を行うようになっている。気
体圧縮機１０で、車室内の空気熱により気化された冷媒
ガスが加圧され凝縮器５３に送られる。

【０００３】凝縮器５３は、冷媒ガスが液化されること
で、車室内より吸収した熱を車外へ放出するようになっ
ている。膨張弁５４は、冷媒ガスの圧力を高圧から低圧
まで急激に低減させるようになっている。気体圧縮機１
０の回転軸１１は、クラッチ６２に対し電磁石により断
接可能なようになっている。そして、エンジン５９の軸
動力がベルト６３によりクラッチ６２を介して回転軸１
１に伝えられるようになっている。

【０００４】冷媒ガス流量は基本的には、配管や機器等
の各部位の形状と気体圧縮機１０の回転速度、容量で決
定される。これまで自動車用冷凍空調システムの多く
は、クラッチ６２により気体圧縮機１０の動作を切換
え、熱交換の加減を調節してきたが、クラッチ６２では
細やかな調節が不可能であると共に、切換え時の不連続
な負荷変動がエンジン５９にも負担を与え、また、乗員
の快適性を妨げる原因となっていた。そこで、近年では
気体圧縮機の容量制御を行うことで、省燃費と快適性の
改善が図られつつある。

【０００５】図１７に容量制御の可能な可変容量型気体
圧縮機２０の断面図、図１８に可変容量型気体圧縮機２
０の図１７中のＡ−Ａ矢視線断面図を示す。可変容量型
気体圧縮機２０の吸入口１は、外部に接続されたエバポ
レータ５１より冷媒ガスを吸入するようになっている。
シリンダ３は、フロントヘッド５とリアサイドブロック
７間に挟装されている。シリンダ３内にはロータ９が回
転可能に配設されている。

【０００６】ロータ９は回転軸１１に貫通固定されてい
る。ロータ９の外周には径方向にベーン溝１３が形成さ
れ、ベーン溝１３にはベーン１５が摺動可能に装着され
ている。そして、ベーン１５は、ロータ９の回転時には
遠心力とベーン溝１３底部の油圧とによりシリンダ３の
内壁に付勢される。シリンダ３内は、ロータ９、ベーン
１５により複数の小室に仕切られている。これらの小室
は圧縮室１７と称され、ロータ９の回転により容積の大
小変化を繰り返す。

【０００７】そして、このように、ロータ９が回転する
と吸入口１より低圧冷媒ガスを吸気し、その容積変化に
より圧縮が行われる。シリンダ３及びリアサイドブロッ
ク７の周端部にはケース１９が固定され、このケース１
９の内部には、吐出室２１が形成されている。圧縮室１
７で圧縮された高圧冷媒ガスは、吐出ポート２３、吐出
弁２５を介して吐出室２１に送られる。そして、冷媒ガ
スは吐出室２１から吐出口２７を経て外部の凝縮器５３
へと送られる。

【０００８】この可変容量型気体圧縮機２０は容量可変
機構３０を備えている。この容量可変機構３０は、外部
から任意に冷媒ガスの吐出容量を可変調節可能なように
なっている。容量可変機構３０の一構成例を図１９に示
す。制御板２９は、フロントヘッド５内にシリンダ３の
側部に面するように配設されている。制御板２９には切
り欠き２９ａが２か所に施されている。この切り欠き２
９ａは、シリンダ３の内部と吸入口１に通じる吸入室３
１間を連通させる。一方、制御板２９の切り欠きの無い
部分、シリンダ３の内壁及びベーン１５により閉鎖され
た空間には圧縮室１７が形成される。

【０００９】制御板２９を右回転させれば切り欠き２９
ａが右方向に回転されたことにより、圧縮室１７が形成
される位置も右側に移動し、このときの圧縮室１７の容
量も小さくなる。このように、制御板２９を回動させる
ことで、吐出容量を調節可能である。制御板２９の回動
は、ピン３３を介して油圧駆動の駆動軸３９により行わ
れる。制御弁３７を開度調節することでスリーブ３５に
吐出室２１より油を注入し、このときの油圧により駆動
軸３９を直進運動させる。そして、この直進運動をピン
３３を介して回転運動に変換して、制御板２９を回動さ
せる。

【００１０】油の注入量は、制御弁３７の開度を変更す
ることで変えることが可能である。この開度の変更は、
図２０に示す容量制御指令値（デューティー比）を変え
ることで行っている。制御板２９は、スリーブ３５内の
制御圧力Ｐ_Ｃと吸入室３１内の圧力Ｐ_Ｓの差圧に従いバ
ネ３８による弾性力との均衡のもとに回動される。

【００１１】なお、図１６において、例えばエバポレー
タ５１の出口の制御温度Ｔ_ｃを検出するため、温度セン
サ５５が配設されている。温度センサ５５により検出さ
れた制御温度Ｔ_ｃは、目標温度設定部６７で設定された
目標温度Ｔ_ｒとの間で温度偏差ΔＴが算出されるように
なっている。また、エンジン５９の回転速度を検出する
ため、回転速度センサ５７が配設されている。

【００１２】そして、この温度偏差ΔＴとエンジン５９
の回転速度を基に、制御回路６１では容量制御指令値が
算出される。この容量制御指令値は容量制御信号発生回
路６５で信号増幅され、駆動信号Ｉが容量可変機構３０
の制御弁３７に伝えられる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、かかる容量
可変機構３０は、上述のように機構的に複雑なものにな
りがちであり、それがコストアップや信頼性の低下を招
くおそれがある。また、容量可変機構３０ではリークが
発生する可能性もあり、冷凍空調システムの効率低下を
招くおそれがあった。

【００１４】また、気体圧縮機１０の吸込み圧力が所定
の圧力以上で運転されないようにするため吸入圧力調整
弁が配設される場合があるが、この吸入圧力調整弁を自
動車の空気温度制御に用いる場合、自動車特有の熱負荷
や気体圧縮機１０の回転速度変動の下でどのように開度
調整をすれば良いかの規範となる技術は存在しない。更
に、気体圧縮機１０では、ベーン１５の飛び出し特性維
持のために、最小容量を０％に出来なかった。

【００１５】本発明はこのような従来の課題に鑑みてな
されたもので、固定容量型気体圧縮機を簡素な構成で容
量制御可能とする冷凍システム制御装置を提供すること
を目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】このため本発明は、吸入
口より取り入れた冷媒ガスを圧縮し、吐出可能な気体圧
縮機と、該吸入口に取り付けられる配管に配設され、開
度調節可能な制御弁と、制御されるべき所定箇所の制御
温度、冷媒ガス圧力又は冷媒ガス流量を検出する温度等
検出手段と、目標温度、冷媒ガスの目標圧力又は目標流
量を設定する温度等設定手段と、該温度等設定手段で設
定された設定値と前記温度等検出手段で検出された制御
温度等間の偏差を算出する偏差算出手段と、該偏差算出
手段で算出された偏差に基づき前記制御弁の開度を調節
する制御信号を演算し、前記制御弁に信号送出する制御
手段とを備えて構成した。

【００１７】制御弁を配管の途中等に配設する。温度等
設定手段で設定された設定値と温度等検出手段で検出さ
れた制御温度等間の偏差が０になるように、制御弁の開
度を調節する制御信号が演算され、制御弁に信号送出さ
れる。

【００１８】以上により、制御弁の開度が変化し、それ
に応じて冷媒流量が制御され、その結果、熱交換量が変
化して空気温度の変化を生む。通常の固定容量気体圧縮
機を含む冷凍空調システムに対し、固定容量気体圧縮機
を改造することなく、配管の一部を改造するだけで簡単
に制御弁を追加可能である。そして、この制御弁を制御
することで、容量制御と同等の機能を実現できる。リー
クもない高効率制御が可能となる。気体圧縮機がベーン
ロータリー型である場合でも０〜１００％の制御率が達
成される。

【００１９】また、本発明は、前記制御弁は、前記気体
圧縮機の前記吸入口内部に配設されたことを特徴とす
る。

【００２０】以上により、制御弁の取り付け配管工事は
不要となる。制御線も整然とできる。

【００２１】更に、本発明は、前記制御手段の制御要素
には積分演算和がふくまれ、前記制御弁の開度を調節す
る制御信号が全開である１００％を超過又は全閉である
０％未満となったとき、前記積分演算を停止させること
を特徴とする。

【００２２】以上により、制御弁の制御精度及び速度が
向上する。

【００２３】更に、本発明は、前記温度等検出手段で検
出された制御温度等及び前記制御信号を基に前記気体圧
縮機の外乱を推定する外乱推定手段と、前記制御温度等
を補償し補償信号を出力する補償手段と、該補償信号に
対し前記外乱推定手段で推定された外乱を減算し、減算
結果を前記制御信号とする演算手段とを備えて構成し
た。

【００２４】外乱は、例えば蒸発器に送風するファンの
変動、エンジンより駆動される気体圧縮機の回転数の変
動等である。熱負荷変動により、空気と冷媒の物性値が
変化したり、回転数の変動により冷媒流量が変化するこ
とで生じるパラメータ変動に不感な冷凍空調システム制
御系が、単純な構造の固定の補償手段で実現できる。

【００２５】更に、本発明は、システム同定によって、
状態方程式または伝達関数からなる制御対象である前記
冷凍システム制御装置の数学モデル（ノミナルモデル）
が作成され、該数学モデルと外乱の数学モデルとからな
る拡大された状態方程式（拡大系）が作成され、該状態
方程式（拡大系）より前記外乱推定手段が設計され、前
記数学モデル（ノミナルモデル）から前記補償手段が設
計されたことを特徴とする。

【００２６】システム同定技術を利用して、システムの
ノミナルモデルを作成する。そして、外乱推定手段は、
この数学モデル（ノミナルモデル）に対し、外乱の考慮
された数学モデル（拡大モデル）からなる拡大された状
態方程式（拡大系）より作成する。

【００２７】外乱推定手段で推定された外乱を補償手段
の出力である制御信号に減算することで、制御対象に対
する外乱を相殺出来る。このため、物性値の変化等によ
り生ずるパラメータ変動に対し不感なシステム制御系
が、単純な構造の固定の補償器で実現できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施形態に
ついて説明する。図１に、本発明の第１実施形態である
電磁型吸入圧力調整弁８０の構成図を示す。また、図２
にこの電磁型吸入圧力調整弁８０の配設例を示す。尚、
図１６と同一要素のものについては同一符号を付して説
明は省略する。

【００２９】図１において、制御弁８１の左端には棒状
の中間物８３が固着され、この中間物８３の左端には磁
性体８５が固着されている。磁性体８５はスリーブ８７
内を摺動自在なようになっている。中間物８３の周囲に
は筒状鉄心８９が配設されている。スリーブ８７内には
環状に電磁コイル９１が埋設されており、この電磁コイ
ル９１により磁性体８５が吸引されることで制御弁８１
を開放するようになっている。制御弁８１の閉止はバネ
９３の付勢力により行われるようになっている。

【００３０】吸入管路９５は、図２に示すエバポレータ
５１側の配管９７Ａに接続され、一方、吐出管路９９は
気体圧縮機１０側の配管９７Ｂに接続されている。気体
圧縮機１０は、容量可変機構３０を有さない固定容量型
のものである。但し、容量可変型と併用して用いてもよ
い。

【００３１】図３に電磁型吸入圧力調整弁８０の制御ブ
ロック図を示す。温度センサ５５により検出された制御
温度Ｔ_ｃが、制御回路６１の入力部１０１に入力される
ようになっている。但し、応答性の改善のため、回転速
度センサ５７により検出されたエンジン５９の回転速度
をも入力部１０１に入力するようにしてもよい。また、
温度センサは車室内空気の温度を検出するようにしても
よい。更に、ファン５２の回転速度を検出し入力するよ
うにしてもよい。

【００３２】ＣＰＵ１０３では、制御温度Ｔ_ｃは、目標
温度設定部６７で設定された目標温度Ｔ_ｒとの間で温度
偏差ΔＴが算出され、この温度偏差ΔＴを０にするよう
な出力値を演算し、駆動部１０５に出力するようになっ
ている。駆動部１０５では、この出力値に応じて電磁型
吸入圧力調整弁８０の電磁コイル９１への駆動電圧が生
成され、出力されるようになっている。

【００３３】次に、本発明の第１実施形態の動作を説明
する。かかる構成によれば、温度センサ５５により検出
された制御温度Ｔ_ｃから目標温度Ｔ_ｒとの間で温度偏差
ΔＴを算出する。そして、この温度偏差ΔＴを０にすべ
くＰＩＤ等の制御演算を行い、駆動部１０５より演算結
果である駆動電圧を電磁型吸入圧力調整弁８０の電磁コ
イル９１に印加する。電磁コイル９１が励磁された場合
には、磁性体８５が吸引され、制御弁８１が開放する。

【００３４】なお、駆動部１０５で生成する駆動電圧
は、ＰＷＭ増幅回路によるパルス状の電圧として電磁型
吸入圧力調整弁８０の電磁コイル９１に印加するように
してもよい。この場合には、その平均値が出力値に対応
する駆動電圧となるように調整される。また、流量等を
電流信号として検出し、この検出値に応じて駆動部１０
５の駆動電圧を調整し、出力するようにしてもよい。

【００３５】制御弁８１の開閉は全開時を１００％、全
閉時を０％とする流量制御が可能である。ここに、目標
値と観測値を一致させるために１００％を超過または０
％未満としたい場合があるが、機構的には飽和状態が発
生する。そこで、制御弁８１の開閉に対応する出力値の
最大値、最小値を予め求めておき、出力値がいずれかに
至った場合には、補償器の中に積分演算和がふくまれる
場合に積分演算を停止させることとする。以上により、
制御弁８１の開度が変化し、それに応じて冷媒流量が制
御され、その結果、熱交換量が変化して空気温度の変化
を生む。

【００３６】また、通常の固定容量気体圧縮機を含む冷
凍空調システムに対し、固定容量気体圧縮機を改造する
ことなく、電磁型吸入圧力調整弁８０を導管の一部を改
造するだけで簡単に追加可能である。そして、この電磁
型吸入圧力調整弁８０を制御することで、容量制御と同
等の機能を実現できる。リークもない高効率制御が可能
となる。気体圧縮機がベーンロータリー型である場合で
も０〜１００％の制御率が達成される。

【００３７】次に、この制御システムを、システム同定
に基づく数学モデルを用いて設計する方法について説明
する。ロボット、工作機械等のメカニカルシステムで有
効性が確認されている外乱オブザーバ（大西公平、大石
潔、宮地邦夫：「状態観測器を用いた他励直流機の一制
御法」,電気学会論文誌 B104-6,pp.373-379,1984参
照）を冷凍空調システムの容量制御に応用する。

【００３８】その特長は、固定ゲインの補償器であり、
しかも低次元の単純な補償器であるにも関わらず、変動
に対して不感なことである。但し、ただ別の応用分野の
技術を持ち込んで転用しようとしても、冷凍空調システ
ムは複雑で非線形性が強いことから、外乱オブザーバ設
計の前提となるノミナルモデルさえも容易には作れな
い。つまり、モータに対して用いられてきた外乱オブザ
ーバ技術をそのままでは転用ができない。

【００３９】そこでシステム同定技術を利用して、冷凍
空調システムのノミナルモデルを作成し、ノミナルモデ
ルと新たに仮定する外乱とから構成される拡大系を構成
し、その拡大系がオブザーバの構成条件である可観測性
を満たす条件を確認した上で、新たな外乱オブザーバを
設計し、実機への搭載を可能にする。

【００４０】ちなみに、ノミナルとは、「名目上の」と
言った意味で、実際のシステムは変化をするために、そ
の数式モデルに留まらないことを踏まえている。ここで
は、ある平均的な一条件で求めたモデルを意味するもの
とする。

【００４１】まず、ノミナルモデルの取得方法について
説明する。冷凍空調システムがシステム同定等の手段に
より、数１、数２のようにモデル化されたものとする。

【００４２】

【数１】

【００４３】

【数２】

【００４４】但し、ｘ_ｐｎ(n_ｐｎ×1),u(1×1),y(1×n
_ｐｎ)、A_ｐｎ(n_ｐｎ×n_ｐｎ),B_ｐｎ(n_ｐｎ×1),C_ｐｎ(1
×n_ｐｎ)の実ベクトルまたは実行列とする。このとき、
入力uは可変容量型気体圧縮機の容量を変化させるため
のアクチュエータの駆動入力信号であって、電圧である
場合が多いが、制御用コンピュータシステム内部におけ
る同じ役割を果たす変数データ等でも良い。

【００４５】また、出力yは制御しようとしている部位
の空気温度の検出値であって、電圧の形態で観測するこ
とが多いが、やはり制御用コンピュータ内に取りこんだ
同温度に対応する変数データであっても良い。いずれに
せよ、上記モデルはある特定の条件下におけるモデルで
あって、物理的なパラメータ変動や外乱を含まない。こ
れをノミナルモデルと呼ぶことにする。

【００４６】次に、システム同定の方法について説明す
る。システム同定そのものは、従来からあるモデリング
理論及び技術である（例えば、足立修一：MATLABによる
制御のためのシステム同定、東京電機大学出版局、1996
を参照）。予測誤差法、最尤推定法、最小自乗法、部分
空間同定法などが知られており、いずれの手法を用いて
も良いが、最終的に状態方程式の形式で表現するものと
する。

【００４７】また、同定されたモデルは入出力を用いた
実験からも求められたモデルであるから、可制御・可観
測である（例えば、小郷、美多：システム制御理論入
門、実教出版、1979を参照）。逆に、実システムに不可
制御・不可観測な部分があったとしても、その部分は無
視されてモデル化されていることになる。可制御の必要
十分条件は、1出力系の場合、次の数３の可制御行列U
_Ｃｐｎ(n_ｐ _ｎ×n_ｐｎ)のランクがn_ｐｎである。

【００４８】

【数３】

【００４９】とすると、rank(U_Ｃｐｎ)＝n_ｐｎつま
り、

【００５０】

【数４】

【００５１】可観測の必要十分条件は1出力系の場合、
次の数５の可観測行列U_Ｏｐｎ(n_ｐｎ×n_ｐｎ)のランク
がn_ｐｎである。

【００５２】

【数５】

【００５３】とすると、rank(U_Ｏｐｎ)＝n_ｐｎつま
り、

【００５４】

【数６】

【００５５】が成り立っているものとする。

【００５６】次に、外乱を考慮に入れたモデルの作成と
可観測性の確認について説明する。前述のノミナルモデ
ルに対し、外乱を考慮した修正を加える。パラメータ変
動や未知の外部入力をまとめて入力端の外乱dとみな
し、新たな状態量ｘ_ｄ＝dを定義して、状態方程式の拡
大系数７、数８を作成する。

【００５７】

【数７】

【００５８】

【数８】

【００５９】このとき、数９を仮定している。

【００６０】

【数９】

【００６１】ここに、各要素は

【００６２】

【数１０】

【００６３】A((n_ｐｎ＋1)×(n_ｐｎ＋1)),B((n_ｐｎ＋1)
×1),C(1×(n_ｐｎ＋1))でシステムの次元はn＝n_ｐｎ＋1
となる。

【００６４】図４に、ノミナルモデルと外乱を含めた拡
大系のブロック図を示す。数７、数８が可観測であれ
ば、オブザーバを設計できることが知られている。可観
測の必要十分条件は、１出力系の場合、次の数１１の可
観測行列U_Ｏ(n×n)のランクがnである。

【００６５】

【数１１】

【００６６】つまり、数１２が成りたたねばならない。

【００６７】

【数１２】

【００６８】本システムの場合、数１３より、可観測行
列は、数１４となる。

【００６９】

【数１３】

【００７０】

【数１４】

【００７１】このとき、公式である数１５（小郷、美
多：システム制御理論入門、実教出版、1979を参照）を
利用すると、数４より、数１２の行列式は、数１６よう
に表せる。

【００７２】

【数１５】

【００７３】

【数１６】

【００７４】この値が０でなければ、可観測なので、オ
ブザーバを設計できる。

【００７５】次に、拡大系の極と可制御性について説明
する。拡大系を作ることによって増えた極について確認
しておく。行列式に関する公式（小郷、美多：システム
制御理論入門、実教出版、1979を参照）

【００７６】

【数１７】

【００７７】を用いると、数７より、拡大系の極が、

【００７８】

【数１８】

【００７９】が成り立つｓであることから、もともとの
ノミナルモデルの極と原点とからなることがわかる。１
入力１出力系の場合、現代制御理論における不変零点と
古典制御理論における零点(＝伝達零点)は一致し、不可
制御または不可観測は、極と零点とが一致することによ
って生じる（小郷、美多：システム制御理論入門、実教
出版、1979を参照）。

【００８０】さて、この拡大系は不可制御であること
が、可制御性行列を調べるまでもなくわかる。なぜなら
ば、外乱は物理的には入力の一つであるにも関わらず、
作為的に状態量の一つとして扱っており、図４の上側の
ブロック図からもわかるように、制御入力により、その
原点極を変更できないためである。確認してみると、可
制御性の必要十分条件は、１出力系の場合、数１９の可
制御行列U_Ｃ(n×n)のランクがnである。

【００８１】

【数１９】

【００８２】つまり、数２０が成りたたねばならない。

【００８３】

【数２０】

【００８４】数２０を展開すると、数１７を利用して、

【００８５】

【数２１】

【００８６】従って不可制御である。数１８において、
拡大系の極がノミナル系の極と原点とから成り、しかも
ノミナル系が可制御であることから、不可制御をもたら
す極、すなわち、不可制御極は原点０のみである。

【００８７】補足しておくと、拡大系はオブザーバを設
計する道具としてのみ用い、補償器設計には用いないの
で、この拡大系数７、数８は不可制御でもかまわない。

【００８８】次に、可観測性の条件について説明する。
不可制御な極が同時に不可観測な極となる場合もあるの
で、可観測性の評価は必要である。

【００８９】(ケース1)ある正の整数qがあって、

【００９０】

【数２２】

【００９１】が成り立つとする。1入力1出力系では、r
＝n_ｐｎ−qは零点の数を表すことが知られている（古
田、川路、美多、原：メカニカルシステム制御、オーム
社、1984）。ノミナルモデルにおいて、たまたま、r＝n
_ｐｎ−q＝0であれば、ノミナルモデル自身に零点はな
く、Ｙ行列が0行列になるので、拡大系に対して、以下
の公式数２３が使えて（小郷、美多：システム制御理論
入門、実教出版、1979を参照）、

【００９２】

【数２３】

【００９３】数６、数２２、数２３より、

【００９４】

【数２４】

【００９５】となり、拡大系数７、数８は可観測とな
る。

【００９６】(ケース2)r＝n_ｐｎ−q＞0、すなわち、ノ
ミナルモデル自身に1つ以上の零点がある場合は、原点
極が不可観測極となっていないか確認する必要があり、
数１６を直接に調べるしかない。

【００９７】次に、外乱オブザーバの設計方法について
説明する。拡大系数７、数８を用いてオブザーバを設計
する。(同一次元外乱オブザーバの設計)

【００９８】

【数２５】

【００９９】であり、Kは数２５のA−KC行列の全ての固
有値の実部が負になるように選ぶ。図５に制御対象モデ
ルとオブザーバのブロック図を示す。図５において、入
力uは例えば電磁型吸入圧力調整弁８０の駆動電圧であ
り、出力yは蒸発器５１出口の検出温度である。

【０１００】(最小次元オブザーバの設計)同オブザーバ
の設計に関し、ゴピナス(Gopinath)の正準形式と呼ばれ
る設計法を用いても良い。

【０１０１】(ディジタル形式のオブザーバ)拡大系数
７、数８を０次ホールドを前提として離散化し、ディジ
タル形式の同一次元オブザーバ、あるいは最小次元オブ
ザーバとして設計しても良い。

【０１０２】次に、制御系への利用について説明する。
図６に制御系のブロック図を示す。制御対象２０１には
外乱２０３が加わっている。入力信号２０５（例えば電
磁型吸入圧力調整弁８０の駆動電圧）と出力信号２０７
（例えば蒸発器５１出口の検出温度）がオブザーバ２０
９に入力され、外乱が推定される。

【０１０３】出力信号２０７は、目標値２１１との間で
減算器２１３により偏差が算出される。この偏差は、補
償器２１５で状態フィードバック、1型のサーボ系、PID
制御等の補償が行われ、制御信号として出力される。こ
の制御信号は、減算器２１７でオブザーバ２０９からの
外乱推定値との間で減算される。

【０１０４】従って、オブザーバの推定値のうち、外乱
推定値は実外乱をキャンセルするようにフィードバック
されることになる。また、他の状態推定値を用いて、状
態フィードバック、1型のサーボ系、PID制御等の補償が
行われる。

【０１０５】次に、不可観測時の対策について説明す
る。まず、上記説明を開発手順としてまとめると図７の
ようになる。図７の開発フローにおいて、ステップ３１
で、システム同定技術を利用して、冷凍空調システムの
ノミナルモデルを作成する。ステップ３３で、ノミナル
モデルと新たに仮定する外乱とから構成される拡大系を
構成する。

【０１０６】次に、ステップ３５で、その拡大系がオブ
ザーバの構成条件である可観測性を満たすか否か判断す
る。可観測性を満たす場合は、ステップ３７で、新たな
外乱オブザーバを設計する。ステップ３９で、この外乱
オブザーバと補償器を組み合わせ、ステップ４１で実機
への搭載を行う。ステップ３５で、可観測性を満たさな
い場合は、同定モデルに故意に偏差を付加することによ
り、不可観測を回避する。方法として、小さな値の定数
項を付加して、零点をずらす。

【０１０７】以上により、熱負荷変動により、空気と冷
媒の物性値が変化したり、回転速度変化により冷媒流量
が変化することで生じるパラメータ変動に不感な冷凍空
調システム制御系が、単純な構造の固定の補償器で実現
できる。

【０１０８】なお、参考までにシステム同定の具体的手
法について説明する。システム同定(System Identifica
tion)とは、対象とする動的システムの入出力データの
測定値から、ある「目的」の下で、対象と「同一であ
る」ことを証明できる、何らかの「数学モデル」を作成
することを言う。本発明で行おうとするシステム同定
は、「制御を目的としたシステム同定」であり、いくつ
かの手法が確立されている。

【０１０９】システム同定の手順としては、図８のフロ
ーに従う。ステップ５１で、M系列データを作成する。
次に、ステップ５３でコントローラヘの実装を行い、ス
テップ５５で測定を行いデータを保存する。ステップ５
７で、同定プログラムを作成し、ステップ５９で同定の
実行をする。具体的にはA_ｐｎ,B_ｐｎ,C_ｐｎを求める。

【０１１０】そして、ステップ６１で、求めたA_ｐｎ,B
_ｐｎ,C_ｐｎについて評価する。評価結果が気に入らなけ
れば、また同定プログラムを修正して、再度同定作業を
実行し、再び、評価を行う。また、環境条件が大きく変
わる制御対象に対しては、M系列データの振幅や周期、
長さをいろいろと変えて繰り返し同定することも必要と
なる。

【０１１１】次に、M系列データの作成について説明す
る。システム同定には、擬似白色2値信号(PRBS：Psedo
Random Binary Signal)を制御対象に入力し、出力を観
測するが、その入力の中で最もよく利用される信号がM
系列信号(Maximum-length 1inear shift resister sequ
ence)である。例を図９に示す。

【０１１２】次に、実際に冷凍システム制御に用いる場
合のM系列信号の仕様を考える。図１０に、冷凍システ
ム制御に用いたM系列データの例を示す。図１０は、0
〜10を電磁型吸入圧力調整弁８０の駆動電圧0 〜最大電
圧に対応する指令電圧としたデータ列であり、熱負荷を
中負荷、気体圧縮機１０の回転速度を800rpmとしたとき
の平均指令値7.85を平均値として、上下に振幅2だけ振
れさせたM系列信号である。

【０１１３】平均値は熱負荷と電磁型吸入圧力調整弁８
０の制御弁８１の開度が規定された条件で、目標温度に
空気温度が一致するときの入力の平衡点を用いる。振幅
は非線形性の評価次第であるから試行錯誤的に大小を試
みる。但し、0未満や、10の超過は飽和の発生となるか
ら不可であるため、飽和を避けるように平均値をずら
す。図１１は、5種類の環境条件における平衡点での開
度(＝Duty2)と回転速度の関係を例示したものである。

【０１１４】温度制御系においては、この値を回転速度
に対応するフィードフォワード値として用いても良い。
ちなみに、上記のM系列で用いている0 〜10がこの0 〜1
に対応する。そこで、例えば、の環境条件で回転速
度800rpm運転時の値は約0.7 であるので、10倍の7を平
均値に用いれば良い。この他、取りあえず温度制御がで
きているときは、制御時の平衡点を使っても良い。

【０１１５】次に、コントローラヘの実装と実行につい
て説明する。M系列信号をコントローラが電圧として出
力する。そして、このM系列信号が制御対象である電磁
型吸入圧力調整弁８０に制御入力として与えられる。結
果としての蒸発器出口空気温度を電圧の形で検出して、
コントローラに取りこむ。

【０１１６】制御ベンチを用いた同定実験における入出
力結果を図１２に示す。一方、図１３のように入出力の
平均値を除去する。つまり平均は0になる。この結果を
基に、システム同定計算を行い、状態方程式のA,B,C行
列を得る。

【０１１７】次に、評価結果として、図１４に示すよう
に、実際の出力と、同定モデルヘの同じM系列信号入力
を与えた際の出力とを比較することにより、得られた数
学モデルの妥当性が確認できる。

【０１１８】参考文献としては、 1)L.Ljung：System Identification Tool box User's G
uide、Math Works(足立修一監訳) 2)足立修一：MATLABによる制御のためのシステム同定、
東京電機大学出版局、1996 3)和田清：解説「部分空間同定法って何？」、計測と制
御36-8、PP.569-674、1997 がある。

【０１１９】以上説明したように本発明によれば、物性
値の変化等により生ずるパラメータ変動に対し不感なシ
ステム制御系が、単純な構造の固定の補償器で実現でき
る。従って、外乱オブザーバを含む制御系は未知なる熟
負荷変動と回転速度変動の下で動作可能である。

【０１２０】次に、本発明の第２実施形態について説明
する。図１５に、本発明の第２実施形態の構成図を示
す。尚、図２と同一要素のものについては同一符号を付
して説明は省略する。本発明の第２実施形態が本発明の
第１実施形態と異なるのは、本発明の第２実施形態の気
体圧縮機３００には、電磁型吸入圧力調整弁８０が吸入
口１に内蔵されている点である。気体圧縮機３００のそ
の他の構造は、容量可変機構３０を除くとほぼ図１７及
び図１８と同様であるので省略する。また、電磁型吸入
圧力調整弁８０の制御ブロック図も図３と同様であるの
で省略する。

【０１２１】以上により、電磁型吸入圧力調整弁８０は
気体圧縮機３００に内蔵されており、電磁型吸入圧力調
整弁８０の取り付け配管工事は不要となる。制御線も、
気体圧縮機３００と電磁型吸入圧力調整弁８０を一緒に
まとめ整然とできる。電磁型吸入圧力調整弁８０を制御
することで、可変容量型気体圧縮機２０の容量制御と同
等の機能を実現できる。リークもない高効率制御が可能
となる。気体圧縮機がベーンロータリー型である場合で
も０〜１００％の制御率が達成される。

【０１２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、制
御弁を配管の途中等に配設し、設定値と制御温度等間の
偏差が０になるように、制御弁の開度を調節するように
構成したので、制御弁の開度が変化し、それに応じて冷
媒流量が制御され、その結果、熱交換量が変化して空気
温度の変化を生む。この制御弁を制御することで、容量
制御と同等の機能を実現できる。リークもない高効率制
御が可能となる。気体圧縮機がベーンロータリー型であ
る場合でも０〜１００％の制御率が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態である電磁型吸入圧力
調整弁の構成図

【図２】電磁型吸入圧力調整弁の配設例

【図３】電磁型吸入圧力調整弁の制御ブロック図

【図４】ノミナルモデルと外乱を含めた拡大系のブロ
ック図

【図５】制御対象モデルとオブザーバのブロック図

【図６】制御系のブロック図

【図７】開発フロー

【図８】システム同定の手順

【図９】 M系列信号の例

【図１０】冷凍システム制御に用いたM系列データの
例

【図１１】環境条件に対応する回転速度と平衡点での
容量比の関係

【図１２】入出力データの例

【図１３】デトレンドされた入出力の例

【図１４】評価結果の例

【図１５】本発明の第２実施形態の構成図

【図１６】空調システムの全体簡略構成図

【図１７】可変容量型気体圧縮機の断面図

【図１８】図１７中のＡ−Ａ矢視線断面図

【図１９】容量可変機構の一構成例

【図２０】容量制御指令値（デューティー比）

【符号の説明】

１吸入口１０、３００気体圧縮機１５ベーン２０可変容量型気体圧縮機２９制御板３０容量可変機構５１エバポレータ５２ファン５３凝縮器５５温度センサ５７回転速度センサ５９エンジン６１制御回路６７目標温度設定部８０電磁型吸入圧力調整弁８１制御弁８３中間物８５磁性体８７スリーブ８９筒状鉄心９１電磁コイル９３バネ９５吸入管路９７配管９９吐出管路１０１入力部１０５駆動部２０１制御対象２０３外乱２０５入力信号２０７出力信号２０９オブザーバ２１１目標値２１３減算器２１５補償器２１７減算器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】吸入口より取り入れた冷媒ガスを圧縮
し、吐出可能な気体圧縮機と、該吸入口に取り付けられ
る配管に配設され、開度調節可能な制御弁と、制御され
るべき所定箇所の制御温度、冷媒ガス圧力又は冷媒ガス
流量を検出する温度等検出手段と、目標温度、冷媒ガス
の目標圧力又は目標流量を設定する温度等設定手段と、
該温度等設定手段で設定された設定値と前記温度等検出
手段で検出された制御温度等間の偏差を算出する偏差算
出手段と、該偏差算出手段で算出された偏差に基づき前
記制御弁の開度を調節する制御信号を演算し、前記制御
弁に信号送出する制御手段とを備えたことを特徴とする
冷凍システム制御装置。
【請求項２】前記制御弁は、前記気体圧縮機の前記吸
入口内部に配設されたことを特徴とする請求項１記載の
冷凍システム制御装置。
【請求項３】前記制御手段の制御要素には積分演算和
がふくまれ、前記制御弁の開度を調節する制御信号が全
開である１００％を超過又は全閉である０％未満となっ
たとき、前記積分演算を停止させることを特徴とする請
求項１又は請求項２記載の冷凍システム制御装置。
【請求項４】前記温度等検出手段で検出された制御温
度等及び前記制御信号を基に前記気体圧縮機の外乱を推
定する外乱推定手段と、前記制御温度等を補償し補償信
号を出力する補償手段と、該補償信号に対し前記外乱推
定手段で推定された外乱を減算し、減算結果を前記制御
信号とする演算手段とを備えたことを特徴とする請求項
１、２又は３記載の冷凍システム制御装置。
【請求項５】システム同定によって、状態方程式また
は伝達関数からなる制御対象である前記冷凍システム制
御装置の数学モデル（ノミナルモデル）が作成され、該
数学モデルと外乱の数学モデルとからなる拡大された状
態方程式（拡大系）が作成され、該状態方程式（拡大
系）より前記外乱推定手段が設計され、前記数学モデル
（ノミナルモデル）から前記補償手段が設計されたこと
を特徴とする請求項４記載の冷凍システム制御装置。