JP2014229172A - 制御装置および給湯システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィードフォワード制御およびフィードバック制御の組合せを高機能化して制御対象の制御精度を高める。
【解決手段】フィードバック制御部５２０は、出力偏差ΔＸの比例フィードバック制御によりＦＢ制御項Ｕｆｂを算出する。フィードフォワード制御部５１０は、制御対象６００の操作入力値Ｕｉと出力値Ｘとの間の予め求められた入出力特性に従って、出力値Ｘが目標値Ｘｓとなるときの操作入力値をＦＦ項Ｕｆｆとして算出する。補正制御部５８０は、上記入出力特性に従って現在の出力値Ｘに対応する仮想入力値を算出するとともに、算出した仮想入力値と実際の操作入力値との差分の学習結果に基づいて補正項Ｕｃｒを算出する。演算部５５０は、ＦＢ制御項Ｕｆｂ、ＦＦ項Ｕｆｆおよび補正項Ｕｃｒを加算して、制御対象６００の出力値Ｘを目標値Ｘｓに制御するための操作入力値Ｕｉを設定する。
【選択図】図５

Description

この発明は、制御装置および給湯器の制御装置に関し、より特定的には、フィードフォワード制御およびフィードバック制御を組合せて制御対象の出力を制御する制御装置に関する。

制御対象の出力を目標値に追従して制御するために、フィードフォワード制御およびフィードバック制御が用いられている。たとえば、特許第３２０４０５０号公報（特許文献１）には、燃焼装置の送風量を制御するためのファンモータの回転数を、フィードフォワード制御とフィードバック制御との組合せによって制御することが記載されている。

同様に、特許第３５０４２３８号公報（特許文献２）にもフィードフォワード制御を適用したファンモータの回転数制御が記載されている。特許文献２には、ファンモータの個体差を反映するために、ファンモータを所定条件で実際に動作させたときの回転数データを記憶させて、フィードフォワード制御を補正することが記載されている。

特許第３２０４０５０号公報 特許第３５０４２３８号公報

特許文献１に記載されるフィードバック制御は、通常、比例制御および積分制御の組合せによって実行される。一般的には外乱や目標値の変化に応じて発生した過渡的な偏差を比例制御で補償するとともに、制御対象の個体差等のオフセットといった定常的な偏差を積分制御で補償することが行なわれている。しかしながら、積分制御では位相遅れの存在により制御ゲインを大きくすると出力の周期的な変動（いわゆる、ハンチング）が発生する虞がある。一方で、制御ゲインが小さいと目標値への制御応答性が低下する。このように積分制御の調整は困難である。

また、特許文献２に記載されたフィードフォワード制御では、所定条件での回転数データを得るためにファンモータを実際に動作させる特別な動作モード（ＦＦ量補正モード）を実行するための工程が機器毎に必要となってしまうため、作業負荷が増大する。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、フィードフォワード制御およびフィードバック制御の組合せを高機能化して制御対象の制御精度を高めることである。

本発明の制御装置は、制御対象の出力値を制御目標値に制御するための制御装置であって、フィードバック制御部と、フィードフォワード制御部と、制御補正部と、演算部とを含む。フィードバック制御部は、出力値の検出値と制御目標値との差分である出力偏差に基づいてフィードバック項を算出する。フィードフォワード制御部は、制御対象の操作入力値と出力値との間の予め求められた入出力特性に従って、出力値が制御目標値であるときに対応する操作入力値をフィードフォワード項として算出する。制御補正部は、入出力特性に従って出力値の検出値に対応する仮想入力値を算出するとともに、制御対象への実際の操作入力値と仮想入力値との差分の学習結果に基づく補正項を算出する。演算部は、フィードフォワード項と、フィードバック項と、補正項とに従って制御対象への操作入力値を演算する。フィードバック制御部は、出力偏差と比例制御ゲインとの積に従ってフィードバック項を算出する比例制御手段を含む。

上記制御装置によれば、目標値の変化に対してフィードフォワード制御によって追従するとともに、入力差の誤差を学習する補正制御によってオフセット誤差に代表される定常的な偏差を補償し、かつ、比例フィードバック制御によって目標値の変化および外乱に対応した過渡的な偏差を補償するように、フォードバック制御およびフィードフォワード制御を組み合わせて、制御対象の出力値を制御することができる。この結果、フィードフォワード制御およびフィードバック制御の組合せを高機能化することにより、積分フィードバック制御での位相遅れの問題を解消して、制御対象の制御精度を高めることができる。

好ましくは、記制御補正部は、今回の制御周期における補正項と、今回の制御周期における操作入力値と仮想入力値との差分とを所定の重み付けに従って加算することによって次回の制御周期における補正項を算出する。

このようにすると、重み付けを変えることによって制御補正部における学習速度を調整することができるので、補正制御部を含む制御系を適切に設計することができる。

また好ましくは、フィードバック制御部は、出力偏差の積分値に基づく積分フィードバック制御を非実行とする。

このようにすると、ゲインを上げるとハンチングの発生が懸念される積分フィードバック制御をオフした上で、入力差の誤差を学習する補正制御によってオフセット誤差に代表される定常的な偏差を補償するように、制御系を設計することができる。

本発明の給湯システムの制御装置は、フィードバック制御部と、フィードフォワード制御部と、制御補正部と、演算部とを含む。フィードバック制御部は、給湯システムの構成要素である制御対象の出力値の検出値および制御目標値との差分である出力偏差に基づいてフィードバック項を算出する。フィードフォワード制御部は、制御対象の操作入力値と出力値との間の予め求められた入出力特性に従って、出力値が制御目標値であるときに対応する操作入力値をフィードフォワード項として算出する。制御補正部は、入出力特性に従って出力値の検出値に対応する仮想入力値を算出するとともに、制御対象への実際の操作入力値と仮想入力値との差分の学習結果に基づく補正項を算出する。演算部は、フィードフォワード項と、フィードバック項と、補正項とに従って制御対象への操作入力値を演算する。フィードバック制御部は、出力偏差と比例制御ゲインとの積に従ってフィードバック項を算出する比例制御手段を含む。

上記給湯システムの制御装置によれば、目標値の変化に対してフィードフォワード制御によって追従するとともに、入力差の誤差を学習する補正制御によってオフセット誤差に代表される定常的な偏差を補償し、かつ、比例フィードバック制御によって目標値の変化および外乱に対応した過渡的な偏差を補償するように、フォードバック制御およびフィードフォワード制御を組み合わせて、給湯システムの構成要素である制御対象の出力値を制御することができる。この結果、フィードフォワード制御およびフィードバック制御の組合せを高機能化することにより、積分フィードバック制御での位相遅れの問題を解消して、制御対象の制御精度を高めることができる。

好ましくは、制御対象は、燃焼装置に空気を供給するためのファンであり、操作入力値は、ファンを駆動するための電動機の電圧値または電流値に対応する。出力値は、ファンの回転数である。

このようにすると、給湯システムの構成部品である燃焼ファンの回転数を目標回転数に従って、高速かつ安定的に制御することができる。

また好ましくは、制御対象は、給湯器であり、操作入力値は、給湯器への要求発生熱量である。出力値は、給湯器からの出湯温度である。

このようにすると、給湯システムの構成部品である給湯器の出湯温度を設定温度に従って、高速かつ安定的に制御することができる。

この発明によれば、フィードフォワード制御およびフィードバック制御の組合せを高機能化することによって制御対象の制御精度を高めることができる。

本発明の実施の形態に従う制御装置によって制御される給湯システムの構成を示すブロック図である。 比較例として示される制御構成を説明するための機能ブロック図である。 制御対象である燃焼ファンの入出力特性を説明するための概念図である。 積分フィードバック制御の問題点を説明するための概念図である。 本発明に従う制御装置による制御構成を説明するための機能ブロック図である。 従来の積分フィードバック制御と本実施の形態で用いる補正制御とのゲイン特性を比較するためのボード線図である。 従来の積分フィードバック制御と本実施の形態で用いる補正制御とのゲイン特性を比較するためのボード線図である。 実施の形態２における制御対象、操作入力値、出力値およびフィードフォワード演算式を、実施の形態１との比較により説明するための図表である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態に従う制御装置によって制御される給湯システム１００の構成を示すブロック図である。

図１を参照して、給湯システム１００は、給湯器１１０と、給湯配管１８０と、ガス供給配管１９０と、給湯制御部３００と、ファン制御部３１０と、バーナ制御部３２０を含む。

給湯器１１０は、缶体１１５と、ガスバーナ１２０と、熱交換器１３０と、燃焼ファン１６０と、ファンモータ１７０とを含む。

給湯制御部３００、ファン制御部３１０およびバーナ制御部３２０の機能は、たとえばマイクロコンピュータによって実現される。なお、図１の構成例では、給湯制御部３００、ファン制御部３１０およびバーナ制御部３２０を別個の機能ブロックとして記載しているが、共通のマイクロコンピュータによってこれらの機能ブロックによる機能を実現するように構成することも可能である。

缶体１１５には、排気口１４０および吸気口１５０が設けられる。ガスバーナ１２０および熱交換器１３０は、缶体１１５の内部に収容される。ガスバーナ１２０は、ガス供給配管１９０から供給されたガスを燃焼することによって熱量を発生する。ガスバーナ１２０は熱交換器１３０に近接配置されており、ガスバーナ１２０が燃焼により発生した熱量は、熱交換器１３０を介して給湯配管１８０を流れる水に伝達される。これにより、給湯配管１８０を流れる水が加熱される。

燃焼ファン１６０は、吸気口１５０に接続されて、燃焼用空気を強制的に缶体１１５の内部へ供給する。排気口１４０は、燃焼後の排気を缶体１１５の外部へ排出する。ガス供給配管１９０には、ガス比例弁２００が介挿接続される。ガス比例弁２００は、たとえば比例電磁弁で構成される。給湯制御部３００からの指令に応じたガス比例弁２００の開度制御によって、ガスバーナ１２０へ供給されるガス圧が制御される。ガス圧の制御により、ガスバーナ１２０に対する単位時間あたりのガス供給量が制御される。

ガスバーナ１２０には複数の燃焼管１２５が設けられる。バーナ制御部３２０は、給湯制御部３００からの指令に応じて、燃料供給の対象となる燃焼管１２５の数を制御する機能を有する。バーナ制御部３２０は、たとえば、ガス供給配管１９０と各燃焼管１２５との間に接続されて開閉制御される電磁弁（図示せず）を制御する機能を有する。燃料供給される燃焼管１２５の数とガス圧との組合せによって、ガスバーナ１２０から熱交換器１３０へ出力される熱量を制御することができる。

燃焼ファン１６０は、ファンモータ１７０によって駆動される。ファンモータ１７０は、たとえば、直流モータによって構成される。燃焼ファン１６０から缶体１１５へ供給される空気量は、燃焼ファン１６０の回転数（以下、ファン回転数とも称する）に応じて変化する。ファン回転数は、ファン回転数検出部２４０によって検出される。ファン回転数検出部２４０は、たとえば、燃焼ファン１６０またはファンモータ１７０の回転体に取付けられた電磁ピックアップ式のセンサによって構成される。

給湯配管１８０には、流量センサ２１０と、温度センサ２２０，２３０とが設けられる。給湯配管１８０の先には、図示しない給湯栓が接続される。給湯栓が開栓されると、流量Ｑ＞０となる。流量Ｑは、給湯栓の開度に応じて変化する。流量センサ２１０は、給湯配管１８０の流量Ｑを検出する。温度センサ２２０は、熱交換器１３０の下流側に設けられて、出湯温度Ｔｈを検出する。一方で、温度センサ２３０は、熱交換器１３０の上流側に設けられて、入水温度Ｔｃを検出する。

給湯制御部３００には、給湯システム１００の設定温度Ｔｒ＊が入力される。さらに、流量センサ２１０、温度センサ２２０，２３０およびファン回転数検出部２４０による検出値が、給湯制御部３００に入力される。給湯制御部３００は、設定温度Ｔｒ＊に従って給湯配管１８０からの出湯温度が制御されるように、給湯システム１００の動作を制御する。

具体的には、給湯制御部３００は、設定温度Ｔｒ＊と、検出された、入水温度Ｔｃ、出湯温度Ｔｈおよび流量Ｑとに基づいて、給湯器１１０への要求発生熱量Ｑｔｌを設定する。さらに、給湯制御部３００は、要求発生熱量Ｑｔｌに基づいて、ガスバーナ１２０へのガス供給量を算出するとともに、算出されたガス供給量に対応させてガス比例弁２００の開度指令を生成する。開度指令は、ガス比例弁２００へ出力される。ガス比例弁２００は、給湯制御部３００からの開度指令に従って目標開度に制御されることにより、要求発生熱量Ｑｔｌに見合ったガス量をガスバーナ１２０へ供給する。

給湯制御部３００は、さらに、ガスバーナ１２０に対するガス供給量の制御と連動させて、燃焼ファン１６０の目標ファン回転数Ｆｒを設定する。目標ファン回転数Ｆｒは、ガスバーナ１２０における空燃比が所定値に維持されるように逐次設定される。燃焼ファン１６０の目標ファン回転数Ｆｒは、ファン制御部３１０へ出力される。

ファン制御部３１０は、ファン回転数検出部２４０によって検出されたファン回転数Ｆｃと、給湯制御部３００から指示された目標ファン回転数Ｆｒとに従って、ファン回転数を目標ファン回転数Ｆｒに制御するためのファン制御指令値Ｆｍを設定する。

ファン回転数は、図示しない電力変換器からファンモータ１７０に供給される電力（電圧×電流）に応じて変化する。したがって、ファン制御部３１０からのファン制御指令値Ｆｍに応じて、ファンモータ１７０に供給される電圧ないし電流を制御することによって、ファン回転数を制御することができる。たとえば、ファン制御指令値Ｆｍは、上記電力変換器のスイッチング素子のオンデューティをパルス幅変調制御する際のデューティ指令値とすることができる。

実施の形態１では、ファン制御部３１０によって、本実施の形態による「制御装置」が構成される。すなわち、燃焼ファン１６０が、本発明に従う制御装置の制御対象とされる。したがって、ファン回転数Ｆｃが「出力値」に対応し、目標ファン回転数Ｆｒが「制御目標値」に対応し、ファン制御指令値Ｆｍが「操作入力値」に対応する。また、本実施の形態では、所定の制御周期毎に制御対象の操作入力値が更新されるディジタル制御が実行されるものとする。

まず、比較例として、フィードフォワード制御およびフィードバック制御を組合せた、従来の制御構成について説明する。

図２は、比較例として示される制御構成を説明するための機能ブロック図である。
図２を参照して、比較例に従う制御システム５００＃は、フィードフォワード制御部（以下、ＦＦ制御部）５１０と、フィードバック制御部（以下、ＦＢ制御部）５２０と、演算部５５０とを有する。

制御対象６００の出力値Ｘは、操作入力値Ｕｉに応じて変化する。制御システム５００＃は、出力値Ｘを目標値Ｘｓへ制御するように、操作入力値Ｕｉを設定する。一例として、制御対象６００が燃焼ファン１６０である場合には、Ｘ＝Ｆｃであり、Ｘｓ＝Ｆｒであり、Ｕｉ＝Ｆｍである。

ＦＦ制御部５１０は、目標値Ｘｓに従ってフィードフォワード制御項（ＦＦ制御項）Ｕｆｆを算出する。フィードフォワード制御は、制御対象６００（燃焼ファン１６０）の操作入力値に対する出力値の対応関係を示す、予め定められたフィードフォワード演算式に従って設定される。

図３は、制御対象である燃焼ファン１６０の入出力特性を説明するための概念図である。

図３を参照して、制御対象６００である燃焼ファン１６０のファン回転数Ｆｃは、ファン制御指令値Ｆｍに応じて変化する。ファン制御指令値Ｆｍに対するファン回転数Ｆｃの対応関係（以下、入出力特性とも称する）を実験等によって予め求めることによって、特性線７００を得ることができる。特性線７００は、制御対象６００の操作入力値Ｕｉおよび出力値Ｘの間の入出力特性を示すものである。

特性線７００に従って、ファン回転数Ｆｃが目標ファン回転数Ｆｒとなるときのファン制御指令値Ｆｍとして、Ｆｍ＝Ｕ０を得ることができる。Ｕ０は、出力値Ｘが目標値Ｘｓとなるときの（Ｘ＝Ｘｓ）、操作入力値Ｕｉに相当する。ＦＦ制御部５１０は、特性線７００に従って、目標値Ｘｓ（目標ファン回転数Ｆｒ）に基づいてＦＦ制御項Ｕｆｆを設定する。すなわち、図３の例では、Ｕｆｆ＝Ｕ０に設定される。

たとえば、特性線７００を線形近似することにより、出力値ＸからＦＦ制御項Ｕｆｆを算出するための、フィードフォワード演算式ＦＦ［Ｘ］を、Ｘを変数とする一次式として、（１）式のように設定することができる。式（１）中のｋａ，ｋｂは、特性線７００に従った定数である。

Ｕｆｆ＝ＦＦ［Ｘ］＝Ｘ×ｋａ＋ｋｂ …（１）
ＦＦ制御部５１０は、式（１）においてＸ＝Ｘｓ（ｎ）とすることにより、（２）式に従ってＦＦ制御項Ｕｆｆを演算する。

Ｕｆｆ（ｎ）＝Ｘｓ（ｎ）×ｋａ＋ｋｂ …（２）
フィードフォワード制御により、制御対象６００（燃焼ファン１６０）の特性を反映して、目標値Ｘｓ（目標ファン回転数Ｆｒ）の変化に対応して操作入力値Ｕｉ（ファン制御指令値Ｆｍ）を変化させることができる。

実際には、機器の個体差により、燃焼ファン１６０の特性線７００は、ばらつきを有する。しかしながら、燃焼ファン１６０全数について、特性線７００を別個に求めることは多大な作業負荷を要することになるので、同一仕様の給湯システム１００では、共通の特性線７００に従って制御システムを構成することが一般的である。

この結果、共通の特性線７００を用いてフィードフォワード制御を実行すると、個体差により実際には特性線７０１，７０２の入出力関係を有する燃焼ファン１６０では、ＦＦ制御項Ｕｆｆにオフセット的な誤差（図３中のＵ０−Ｕ１またはＵ２−Ｕ０）が生じることが理解される。このように、フィードフォワード制御を始めとして、制御対象の個体差によって出力値に制御誤差が生じる。この制御誤差は、フィードバック制御により補償することができる。

ＦＢ制御部５２０は、偏差演算部５２５と、比例制御演算部５３０と、積分制御演算部５４０と、演算部５４５とを有する。

偏差演算部５２５は、目標値Ｘｓに対する出力値Ｘの出力偏差ΔＸを演算する（ΔＸ＝Ｘｓ−Ｘ)。比例制御演算部５３０は、比例ゲインＫｐおよび出力偏差ΔＸの積に従って、比例フィードバック制御によるＦＢ制御項Ｕｆｂｐを演算する。たとえば、第ｎ番目（ｎ：自然数）の制御周期において、比例制御演算部５３０は、下記（３）式の演算を実行する。

Ｕｆｂｐ（ｎ）＝Ｋｐ×ΔＸ（ｎ） …（３）
なお、（３）式中のΔＸ（ｎ）＝Ｘｓ（ｎ）−Ｘ（ｎ）で示される。

これにより、目標値Ｘｓの変更、または、外乱の発生によって生じた出力偏差ΔＸを解消するようにＦＢ制御項Ｕｆｂｐが演算される。すなわち、比例制御は、主に、目標値Ｘｓの変化への追従性等、過渡的な制御性能を確保する。

積分制御演算部５４０は、出力偏差ΔＸの積分値と、積分ゲインＫｉとの積に従って、積分制御によるＦＢ制御項Ｕｆｂｉを演算する。たとえば、第ｎ番目の制御周期において、積分制御演算部５４０は、下記（４）式の演算を実行する。

Ｕｆｂｉ（ｎ）＝Ｕｆｂｉ（ｉ−１）＋Ｋｉ×ΔＸ（ｎ） …（４）
これにより、主に、目標値Ｘｓが安定した状態での定常的な出力偏差ΔＸを解消するように操作入力値が演算される。すなわち、積分制御は、主に、目標値Ｘｓへの収束性等、定常状態での制御性能を確保する。

演算部５４５は、比例制御によるＦＢ制御項Ｕｆｂｐと、積分制御によるＦＢ制御項Ｕｆｂｉとを加算して、ＦＦ制御部５２０によるＦＢ制御項Ｕｆｂを算出する。

演算部５５０は、ＦＦ制御部５１０によるＦＦ制御項Ｕｆｆと、ＦＢ制御部５２０によるＦＢ制御項Ｕｆｂとを加算することにより、下記（５）式に従って、制御対象６００の操作入力値Ｕｉを設定する。

Ｕｉ（ｎ）＝Ｕｆｆ（ｎ）＋Ｕｆｂ（ｉ） …（５）
これにより、目標値Ｘｓの変化に追従するためのフィードフォワード制御と、出力偏差ΔＸを補償するためのフィードバック制御とを組み合わせて、制御対象６００の出力値Ｘ（ファン回転数Ｆｃ）を目標値Ｘｓ（目標ファン回転数Ｆｒ）に制御することができる。

すなわち、図３で説明した、制御対象６００（燃焼ファン１６０）の個体差に起因する制御誤差についても、フィードバック制御によって補償することができる。図３から理解されるとおり、当該制御誤差は、オフセット状の誤差として生じるため、定常偏差として積分フィードバック制御によって補償される。しかしながら、積分フィードバック制御には、制御ゲインを上げられないという問題点がある。

図４は、積分フィードバック制御の問題点を説明するための概念図である。
図４を参照して、時刻ｔ０以前では、出力値Ｘが目標値Ｘｓよりも低い。積分フィードバック制御によるＦＢ制御項Ｕｆｂｉ＞０に設定されることにより、ＸがＸｓに向かって上昇する。これによりΔＸは減少するが、ΔＸ＞０であるため、ＦＢ制御項Ｕｆｂｉは上昇を続ける。

時刻ｔ０において、Ｘ＝Ｘｓになるため出力偏差ΔＸ＝０になる。この時点から、ΔＸ＜０となるためＦＢ制御項Ｕｆｂｉが低下を始めるが、Ｕｆｂｉ＞０の領域内であるため、出力値Ｘは上昇を続ける。すなわち、ΔＸの積分値が０となる時刻ｔ１までの間、出力値Ｘは上昇を続ける。時刻ｔ１以降では、Ｕｆｂｉ＜０となるため、出力値Ｘは低下に転じる。

すなわち、積分フィードバック制御では、時刻ｔ０〜ｔ１の間においても、Ｕｆｂｉ＞０に設定されることによって出力偏差ΔＸを増大させてしまう位相遅れが発生する。この位相遅れの存在により、積分ゲインＫｉを大きくすると、周期的な出力値の変動（ハンチング）を生じさせる虞がある。この結果、通常の積分制御では、図３で説明したオフセット誤差を補償するための制御速度を高めることが困難である。

このため、本実施の形態に従う制御装置では、制御対象の個体ばらつきに起因する出力偏差を補償するための補正制御を組み合わせた制御構成を採用する。

図５は、本発明に従う制御装置による制御構成を説明するための機能ブロック図である。

図５を参照して、本発明に従う制御システム５００は、ＦＦ制御部５１０と、ＦＢ制御部５２０と、補正制御部５８０とを含む。

ＦＦ制御部５１０は、図３と同様に、予め設定されたフィードフォワード演算式（たとえば、式（２））に従って、目標値Ｘｓに基づいてＦＦ制御項Ｕｆｆを算出する。

フィードバック制御部５２０は、偏差演算部５２５および比例制御演算部５３０を有する。偏差演算部５２５および比例制御演算部５３０は、上述の式（３）に従って、比例フィードバック制御によるＦＢ制御項Ｕｆｂｐを演算する。

制御システム５００では、オフセット誤差を補正制御部５８０によって補償する。この結果、定常的な出力偏差を補償するための積分フィードバック制御のウェイトを下げることができる。好ましくは、必然的に位相遅れを含むために調整が困難である積分フィードバック制御をオフして、比例フィードバック制御のみでフィードバック制御を実行することができる。したがって、好ましくは、ＦＢ制御項Ｕｆｂは、比例フィードバック制御に従って、Ｕｆｂ（ｎ）＝Ｕｆｂｐ（ｎ）＝Ｋｐ×ΔＸ（ｎ）に設定される。

あるいは、式（４）中の積分ゲインＫｉを通常値から低下させることによって、実質的には積分フィードバック制御が寄与しないようにすることも、実質的には積分フィードバック制御をオフすることに含まれる。この場合には、補正制御部５８０との共存が制御外乱とならないように考慮して、積分ゲインＫｉを調整することが必要となる。

補正制御部５８０は、制御対象６００（燃焼ファン１６０）の入出力特性の個体差を学習することによって、制御補正項Ｕｃｒを算出する。補正制御部５８０は、基準となる入出力特性（たとえば、図３に示した特性線７００）に従って、現在の出力値Ｘに対応する仮想入力値Ｕｖを算出するとともに、当該仮想入力値Ｕｖと実際の操作入力値Ｕｉとの差分である入力差ΔＵを学習する。入力差ΔＵは、制御対象６００の実際の入出力特性と、基準となる入出力特性（特性線７００）との誤差に起因して生じる。したがって、入力差ΔＵの学習によって算出される制御補正項Ｕｃｒは、制御対象６００の実際の入出力特性に従う特性線と、特性線７００との誤差、特に、オフセット的な誤差に応じた値となることが理解される。

たとえば、ＦＦ制御部５１０でのフィードフォワード演算式ＦＦ［Ｘ］を共用して、仮想入力値Ｕｖを求めることができる（Ｕｖ（ｎ）＝ＦＦ［Ｘ（ｎ）］＝Ｘ（ｎ）×ｋａ＋ｋｂ）。また、実際の操作入力値Ｕｉ（ｎ）＝Ｆｍ（ｉ）である。したがって、制御対象６００（燃焼ファン１６０）の入力差ΔＵは下記（６）式に従って算出することができる。さらに、入力差ΔＵの学習値に相当する制御補正項Ｕｃｒは、下記（７）式に従って算出することができる。

式（７）中のｐは学習パラメータであり、ｐは０＜ｐ＜１の範囲内で設定される。学習パラメータｐが大きいほど、現在の出力値における入力差ΔＵを制御補正項Ｕｃｒへ反映する学習速度は速くなる。

あるいは、学習パラメータＬを用いて、式（７）を下記式（８）に変形することも可能である。ＬはＬ＞０の範囲で設定される。学習パラメータＬが小さいほど、学習速度は速くなる。すなわち、補正制御部５８０による学習は、現在の制御周期での入力差ΔＵｉ（ｎ）と、今回の制御周期における学習値Ｕｃｒ（ｎ）とを、学習パラメータＬまたはｐによって定められる所定の重み付けに従って加算することによって、次回の制御周期Ｕｃｒ（ｎ＋１）を算出するように実行される。

演算部５５０は、ＦＦ制御項Ｕｆｆと、ＦＢ制御項Ｕｆｂと、制御補正項Ｕｃｒとを加算することによって、制御対象６００の操作入力値Ｕｉを設定する。実施の形態１では、ファン制御指令値Ｆｍ（ｎ）＝Ｕｉ（ｎ）に設定される。これに応じて、制御対象６００の出力値Ｘに相当するファン回転数Ｆｃが、目標値Ｘｓに相当する目標ファン回転数Ｆｒに制御される。

このように、本実施の形態による制御システム５００では、積分フィードバック制御に代えて、制御対象６００の入出力特性の個体差の学習に基づく補正制御が実行される。したがって、従来の積分フィードバック制御と、本実施の形態で用いる補正制御との周波数特性を比較する。

積分フィードバック制御は、上記式（４）に従って演算される。このため、離散化した伝達関数Ｈ（ｚ）は下記（９）式で示される。

式（９）に示される伝達関数Ｈ（ｚ）に対して、角周波数ωの入力に対するゲインおよび位相差は、それぞれ式（１０）および式（１１）で示される。

これに対して、（８）式に示された制御補正項Ｕｃｒ（ｎ）の演算に従えば、離散化した伝達関数Ｈ（ｚ）は下記（１２）式で示される。

式（１２）に示される伝達関数Ｈ（ｚ）に対して、角周波数ωの入力に対するゲインおよび位相差は、それぞれ式（１３）および式（１４）で示される。

図６および図７には、積分フィードバック制御と補正制御とを比較するためのボード線図が示される。図６および図７の横軸には、入力周波数ｆを、制御周期の逆数に相当するサンプリング周波数ｆｓで除算した周波数パラメータｆ／ｆｓが示される。図６の縦軸には、伝達関数Ｈ（ｚ）の入出力比（ゲイン）が示され、図７の縦軸には、伝達関数Ｈ（ｚ）の入力に対する出力の位相差が示される。

図６（ａ）には、補正制御のゲイン特性が示される一方で、図６（ｂ）には、積分フィードバック制御のゲイン特性が比較される。また、図７（ａ）には補正制御の位相特性が示される一方で、図７（ｂ）には、積分フィードバック制御の位相特性が比較される。

図６（ｂ）および図７（ｂ）から理解されるとおり、従来の積分フィードバック制御では、低周波数領域において、ゲインが発散してしまうとともに、位相遅れの発生が避けられない。

したがって、低周波数領域での安定性を確保するために、積分ゲインＫｉをそれ程高くすることができない。この結果、目標値の変化に対して出力値が整定するまでの時間を短縮することが難しい。また、低周波数の外乱に対しては、出力値の振動を招くことが懸念される。

これに対して、図６（ａ）から理解されるように、本実施の形態で用いられる補正制御では、ｆ＝０であってもゲインの最大値を１．０に制限することができる。また、学習パラメータＬを変化させることにより、ゲインを調整することも可能である。

また、図７（ａ）から理解されるように、補正制御では、ｆ＝０における、学習パラメータＬ（またはｐ）によって位相遅れを変化させることができる。

なお、図６（ａ）および図７（ａ）の特性から、本実施の形態で用いられる補正制御は、直流誤差に対する補償能力が高いことが理解される。したがって、上述した、制御対象６００の個体差によって生じるオフセット誤差（たとえば、入出力特性のずれによって生じる制御誤差）を速やかに補償することができる。また、学習パラメータＬ(または、式（７）中のｐ）の調整により、ゲインおよび位相特性を調整することができるので、高周波数の外乱に対しても、適切な周波数特性を設定することによって補償することができる。

このように、本発明の実施の形態によれば、目標値の変化に対してフィードフォワード制御によって追従するとともに、従来の積分フィードバック制御に代わる補正制御によってオフセット誤差に代表される定常的な偏差を補償し、かつ、比例フィードバック制御によって目標値の変化および外乱に対応した過渡的な偏差を補償するように、フォードバック制御およびフィードフォワード制御を組み合わせることができる。この結果、フィードフォワード制御およびフィードバック制御の組合せを高機能化することにより、積分フィードバック制御での位相遅れの問題を解消して、制御対象の制御精度を高めることができる。実施の形態１の例では、燃焼ファン１６０の回転数（ファン回転数Ｆｃ）を、目標ファン回転数Ｆｒに従って、安定的かつ速やかに制御することができる。

特に、補正制御およびフィードフォワード制御が共通の演算式を用いることにより、補正制御は、特性線７００に従うフィードフォワード制御の誤差を補償する機能を有することにもなるので、制御性がさらに向上する。

［実施の形態２］
再び図１を参照して、実施の形態１では、燃焼ファン１６０を制御対象６００とする例を説明したが、制御対象を他の機器としても、本実施に従う制御構成を適用することが可能である。実施の形態２では、給湯器１１０を制御対象６００とする例を説明する。したがって、実施の形態２では、給湯制御部３００によって、本実施の形態による「制御装置」が構成される。

図８は、実施の形態２における制御対象、操作入力値、出力値およびフィードフォワード演算式を、実施の形態１との比較により説明するための図表である。

図８を参照して、給湯器１１０を制御対象６００（図５）とすると、制御対象６００の操作入力値Ｕｉは、給湯器１１０の要求発生熱量Ｑｔｌとなる。そして、出力値Ｘは、給湯器１１０からの出湯温度Ｔｈとなる。

一般的に、給湯装置では、要求発生熱量Ｑｔｌは、号数を単位として演算される。号数＝１は、Ｑ＝１（Ｌ／ｍｉｎ）の流量において湯温を２５度上昇させるのに必要な熱量に相当する。したがって、以下では、要求発生熱量Ｑｔｌを入力号数Ｑｔｌとも称する。上述のように、入力号数Ｑｔｌに基づいて、ガスバーナ１２０（図１）への供給ガス量が算出される。そして、算出された供給ガス量に対応させてガス比例弁２００の開度を制御することによって、入力号数Ｑｔｌに相当する熱量を発生するためのガス量が、ガスバーナ１２０へ供給される。

給湯器１１０での出湯温度Ｔｈを設定温度Ｔｒ＊とするためには、流量Ｑの水を、入水温度Ｔｃから設定温度Ｔｒ＊まで上昇させる必要がある。したがって、上記の号数の定義に従うと、出湯温度を変数（Ｘ）とするフィードフォワード演算式ＦＦ［Ｘ］を下記（１５）式に従って設定することができる。

ＦＦ［Ｘ］＝（Ｘ−Ｔｃ）／２５×Ｑ …（１５）
したがって、フィードフォワード制御は、出湯温度の目標値である設定温度Ｔｒ＊に応じて、下記（１６）式に従って、第ｎ番目の制御周期におけるＦＦ制御項Ｕｆｆ（ｎ）を演算することができる。

フィードバック制御における出力偏差ΔＸ（図２）は、設定温度Ｔｒ＊に対する出湯温度Ｔｈの温度偏差となる（ΔＸ＝Ｔｒ＊−Ｔｈ）。したがって、ＦＢ制御項Ｕｆｂは、当該温度偏差の比例フィードバック制御によって演算される。すなわち、下記（１７）式に従って、第ｎ番目の制御周期におけるＦＢ制御項Ｕｆｂ（ｎ）を演算することができる。

実施の形態２では、補正制御における制御対象６００の入出力特性の個体差の学習において、現在の出力値Ｘに対応する仮想入力値Ｕｖは、式（１５）に示したフィードフォワード演算式において、Ｘ＝Ｔｈを代入することで求めることができる。また、実際の操作入力値Ｕｉ（ｎ）＝Ｑｔｌ（ｎ）である。したがって、学習のための入力差ΔＵは、下記（１８）式に従って演算することができる。

制御補正項Ｕｃｒは、式（１８）によって制御周期毎に演算された入力差ΔＵｉを、式（７）または式（８）に従って学習することによって算出することができる。

このように演算された、ＦＦ制御項Ｕｆｆ（ｎ）、ＦＢ制御項Ｕｆｂ（ｎ）および、制御補正項Ｕｃｒ（ｎ）を用いて、給湯器１１０の入力号数Ｑｔｌ（ｎ）を設定することにより、実施の形態１と同様に、従来の積分フィードバック制御に代わる補正制御によってオフセット誤差に代表される定常的な偏差を補償することができる。これにより、積分フィードバック制御での位相遅れの問題を解消して、制御対象の制御精度を高めることができる。

この結果、実施の形態２の例では、給湯器１１０の出湯温度Ｔｈを設定温度Ｔｒ＊に、安定的かつ速やかに制御することができる。

なお、実施の形態１，２では、本実施の形態に従う制御装置の制御対象が給湯システムの構成部品である例を説明したが、本発明の適用は例示した制御対象の制御対象に限定されるものではない。すなわち、個体差によってオフセット的な出力誤差が生じるような制御対象であれば、給湯システムの他の構成部品、あるいは、給湯システム以外の他の機器を制御対象の出力値の制御にも同様に、本発明を適用することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ 給湯システム、１１０ 給湯器、１１５ 缶体、１２０ ガスバーナ、１２５ 燃焼管、１３０ 熱交換器、１４０ 排気口、１５０ 吸気口、１６０ 燃焼ファン、１７０ ファンモータ、１８０ 給湯配管、１９０ ガス供給配管、２００ ガス比例弁、２１０ 流量センサ、２２０，２３０ 温度センサ、２４０ ファン回転数検出部、３００ 給湯制御部、３１０ ファン制御部、３２０ バーナ制御部、５００ 制御システム、５１０ ＦＦ制御部、５２０ ＦＢ制御部、５２５ 偏差演算部、５３０ 比例制御演算部、５４０ 積分制御演算部、５４５，５５０ 演算部、５８０ 補正制御部、６００ 制御対象、７００，７０１，７０２ 特性線、Ｆｃ ファン回転数、Ｆｍ ファン制御指令値、Ｆｒ 目標ファン回転数、Ｑ 流量、Ｑｔｌ 要求発生熱量（入力号数）、Ｔｃ 入水温度、Ｔｈ 出湯温度、Ｔｒ 設定温度、Ｕｃｒ 制御補正項、Ｕｆｂ ＦＢ制御項、Ｕｆｆ ＦＦ制御項、Ｕｉ 操作入力値、Ｕｖ 仮想入力値、Ｘ 出力値、Ｘｓ 目標値、ｆ 入力周波数、ｆｓ サンプリング周波数。

Claims (6)

1. 制御対象の出力値を制御目標値に制御するための制御装置であって、
   前記出力値の検出値と前記制御目標値との差分である出力偏差に基づいてフィードバック項を算出するためのフィードバック制御部と、
   前記制御対象の操作入力値と前記出力値との間の予め求められた入出力特性に従って、前記出力値が前記制御目標値であるときに対応する前記操作入力値をフィードフォワード項として算出するためのフィードフォワード制御部と、
   前記入出力特性に従って前記出力値の検出値に対応する仮想入力値を算出するとともに、前記制御対象への実際の前記操作入力値と前記仮想入力値との差分の学習結果に基づく補正項を算出するための制御補正部と、
   前記フィードフォワード項と、前記フィードバック項と、前記補正項とに従って前記制御対象への前記操作入力値を演算するための演算部とを備え、
   前記フィードバック制御部は、
   前記出力偏差と比例制御ゲインとの積に従って前記フィードバック項を算出する比例制御手段を含む、制御装置。
2. 前記制御補正部は、今回の制御周期における前記補正項と、今回の制御周期における前記操作入力値と前記仮想入力値との差分とを所定の重み付けに従って加算することによって次回の制御周期における前記補正項を算出する、請求項１記載の制御装置。
3. 前記フィードバック制御部は、前記出力偏差の積分値に基づく積分フィードバック制御を非実行とする、請求項１または２記載の制御装置。
4. 給湯システムの制御装置であって、
   前記給湯システムの構成要素である制御対象の出力値の検出値および制御目標値との差分である出力偏差に基づいてフィードバック項を算出するためのフィードバック制御部と、
   前記制御対象の操作入力値と前記出力値との間の予め求められた入出力特性に従って、前記出力値が前記制御目標値であるときに対応する前記操作入力値をフィードフォワード項として算出するためのフィードフォワード制御部と、
   前記入出力特性に従って前記出力値の検出値に対応する仮想入力値を算出するとともに、前記制御対象への実際の前記操作入力値と前記仮想入力値との差分の学習結果に基づく補正項を算出するための制御補正部と、
   前記フィードフォワード項と、前記フィードバック項と、前記補正項とに従って前記制御対象への前記操作入力値を演算するための演算部とを備え、
   前記フィードバック制御部は、
   前記出力偏差と比例制御ゲインとの積に従って前記フィードバック項を算出する比例制御手段を含む、給湯システムの制御装置。
5. 前記制御対象は、燃焼装置に空気を供給するためのファンであり、
   前記操作入力値は、前記ファンを駆動するための電動機の電圧値または電流値に対応し、
   前記出力値は、前記ファンの回転数である、請求項４記載の給湯システムの制御装置。
6. 前記制御対象は、給湯器であり、
   前記操作入力値は、前記給湯器への要求発生熱量であり、
   前記出力値は、前記給湯器からの出湯温度である、請求項４記載の給湯システムの制御装置。

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