JP3110442B2 - ファジィ制御装置および湯水混合制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は湯と水の混合比率を調整し最適な混合湯温を
得る湯水混合制御装置に関するものである。

従来の技術 従来この種の湯水混合装置は第６図に示すようなもの
があった。（例えば、特開平１−312279号公報） 第６図において、１は湯流路、２は水流路であり、各
流路に関連して自動調圧弁３が設けられている。自動調
圧弁３は、湯流路１の１次圧力PH1を減圧する湯側弁体
４、湯側弁座５と、水流路２の１次圧力PC1を減圧する
水側弁体６、水側弁座７と、湯側弁体４と水側弁体６を
連結する弁軸８と、湯と水の減圧後の１次圧PH1,PC1の
圧力差で動作するピストン９とで構成されており、湯ま
たは水の圧力が急変してもその圧力で自動調圧弁３が移
動し、湯と水の２次圧PH2とPC2とが常に等しく保たれる
ように作用する。

さらに弁軸８にバイアス手段10が設けられ、バイアス
手段10は弁軸８の端部に結合されたボビン11とそのボビ
ン11上に巻回され絶縁されたコイル12およびコイル12お
よびコイル12をはさむように設けられた永久磁石13を有
し、前記コイル12は可撓部14を介して制御手段18に接続
されている。

制御手段18からコイル12に電流を流すと、その電流は
永久磁石13によって発生している磁界を横切るのでフレ
ミングの法則によって弁軸８にバイアス力が付与され
る。このためバイアス力の分だけ自動調圧点がずれ、例
えば湯と水の２次圧PH2とPC2とが2:1の点で常に調圧さ
れるようになり、結果的に出湯温度が高くなる。このよ
うにコイル12の電流を変化することにより混合湯温に変
える。

19は湯と水の混合部であり、混合後は流量調節開閉弁
20を介して出湯されるが、その温度は混合湯温検出手段
（例えばサーミスタ）15によって、またその流量は流量
検出手段16によって検出され、設定手段17の値に一致さ
せるべく制御手段18がバイアス手段10と流量調節開閉弁
駆動手段21を付勢し温度調節を行う。このような湯水混
合装置の制御に用いるファジイ制御則としては第７図に
示すようなメンバシップ関数を用いる。ここでｅは設定
温度と実際の温度との偏差、Δｅは偏差の変化分、Δｕ
は操作量の変化分である。

図におけるファジイ集合のラベルは、 NB＝Negative Big NM＝Negative Medium NS＝Negative Small ZO＝Zero PS＝Positive Small PM＝Positive Medium PB＝Positive Big を意味する。

ファジイ推論の動作説明は実施例で詳しく述べる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような構成では、湯側温度が低い
場合からの出湯と定常状態に近い状態では偏差の大きさ
やその変化量が大きく異なっているにもかかわらず条件
部のファジイ集合の定義幅が固定されている。このため
安定に制御しようとすると設定温度近傍で微小に振動し
たり、この振動が大きくなりハンチングを生じることが
あった。

本発明はかかる従来の課題を解決するもので設定手段
と混合湯温検出手段の信号により目標値との偏差を求
め、条件部のファジイ集合の互いに定義幅が同じである
複数のメンバーシップ関数で構成されるメンバーシップ
関数群と、少なくともひとつのメンバーシップ関数の定
義幅が他と異なるメンバーシップ関数を含むメンバーシ
ップ関数群とを選定して、これを用いてファジイ推論を
行い混合弁を安定に動作することを目的とする。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するために本発明の湯水混合制御装置
は、湯流路および水流路と、前記湯流路および前記水流
路流量を調節する混合弁と、前記混合弁を駆動する混合
弁駆動手段と、前記混合弁を駆動する混合弁駆動手段
と、前記混合弁駆動手段に駆動信号を出力する制御手段
と、前記混合弁の下流において前記湯流路と前記水流路
が合流する混合部と、前記混合部の湯温を検出する混合
湯温検出手段と、混合湯温を設定する設定手段とからな
り、前記制御手段は、条件部のファジイ集合の互いに定
義幅が同じである複数のメンバーシップ関数で構成され
るメンバーシップ関数群と、少なくともひとつのメンバ
ーシップ関数の定義幅が他と異なるメンバーシップ関数
を含むメンバーシップ関数群とを有し前記設定手段と前
記混合湯温検出手段の信号より目標値との偏差の大きさ
に応じて上記いずれかのメンバーシップ関数群を選定す
る主制御手段と前記主制御手段で選定されたメンバーシ
ップ関数群を用いて前記駆動手段の駆動量を算出するフ
ァジイ推論手段とを備えた構成としたものである。

作用 以上の構成により、設定手段と混合湯温検出装置の信
号より目標値との偏差の大きさに応じて条件部のファジ
イ集合の互いに定義幅が同じである複数の「メンバーシ
ップ関数で構成されるメンバーシップ関数群と、少なく
ともひとつのメンバーシップ関数の定義幅が他と異なる
メンバーシップ関数を含むメンバーシップ関数群とを選
定して、これを用いてファジイ推論を行い、混合弁を制
御する。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。な
お、第１図は湯水混合制御装置の断面図で第６図と同一
部品については同一番号を付している。22は付勢手段
で、自動調圧弁３と付勢手段22で混合弁23を形成する。
24は前記付勢手段22の力と対向して可変バイアス力を付
与する混合弁駆動手段である。混合弁駆動手段24は、磁
性体からなるプランジャ25と、前記プランジャ25の周り
に防水および絶縁されたコイル26を有し、前記コイル26
は制御手段18に接続されている。

混合湯温は混合湯温検出手段15によって検出する。流
量は流量検出手段16で検出する。

第２図は制御手段18の例である。27は主制御手段で、
28はファジイ推論手段で、29は第１の駆動量設定手段
で、30は第２の駆動量設定手段である。

次に本発明の構成の動作を説明する。

制御手段18からコイル26に電流を流すと、磁性体から
なるプランジャ25はフレミングの法則により弁軸８にバ
イアス力を付与する。このバイアス力と付勢手段22の付
勢力がつりあったところで自動調圧弁はバランスする。
したがって、コイル26に流す電流を変化することにより
自動調圧弁３のバランス点を移動することができる。例
えば、電流の小さい場合は付勢手段22の力の方が強いた
め湯側弁体４より水側弁体６の方が大きく開き、出湯温
度が低くなる。電流を大きくすると付勢手段22の力に対
向してプランジャ25を押し出すことにより湯側弁体４が
開きだし結果的に出湯温度が高くなる。

このようにして、制御手段18は混合湯温検出手段15の
信号と設定手段17の信号を入力することにより出湯温度
が設定温度になるようにコイル26に流す電流を可変し混
合弁23を調節する。

このときのファジイ推論について説明する。ファジイ
推論は混合湯温検出手段15と設定手段17の差を主制御手
段27が求め温度偏差ｅとする。さらに偏差の変化率Δｅ
（今回のサンプル偏差と前回のサンプル偏差をサンプリ
ング時間で割った値）も主制御手段で求める。このｅと
Δｅをファジイ推論手段28に送る。ファジイ推論手段28
はこのｅとΔｅに対して第３図（ａ）に示すメンバシッ
プ関数を与えてある。ここでメンバシップ関数はｅとΔ
ｅに対して同形に設定してある。メンバシップ関数の個
々の表示はそれぞれNB（負で大きい）,NM（負で中ぐら
い）,NS（負で小さい）,ZO（ほぼ零）,PS（正で小さ
い）,PM（正で中ぐらい）,PB（正で大きい）を表してい
る。次表はファジイ推論手段28での推論に用いられるル
ールの一例を示している。

この表の縦の列はｅの値、横の列はΔｅの値、表の中
はΔｕの値を示している。その一例を表すと、 （ルール１）もし温度偏差が正で大きく、偏差の変化率
がほとんど零に近いならば駆動量は一番大きくする。

これは次のようにも表せる。

if ｅ＝PB and Δｅ＝ZO then Δｕ＝PB 主制御手段27から送られた値ｅとΔｅを用い、それが
あてはまるルールを使用してΔｕを求めるにはmin−max
演算を用いている。

（ルール２） if ｅ＝ZO and Δｅ＝ZO then Δｕ＝ZO （ルール３） if ｅ＝ZO and Δｅ＝NS then Δｕ＝NS （ルール４） if ｅ＝NS and Δｅ＝ZO then Δｕ＝NS を用いて説明する。

第４図A,Bにおいてe,Δｅによってルール２からｅ＝Z
O0の適合度はp0、Δｅ＝ZOの適合度はq0、この２つの適
合度の小さい方を選択し（min演算）、Δｕの適合度はr
0でカットして求める。同様にして、ルール３よりp1,q
1,r1、ルール４よりp2,q2,r2を求めΔｕの適合度を得
る。このようにしてルール毎に求めたΔｕの適合度の和
をとり（max演算）第４図Ｂ（ｂ）のようになる。この
重心位置に対応する値を推論結果として主制御手段27に
送る。主制御手段27はこの値に応じた駆動量を第１の駆
動量設定手段29からコイル26に送るよう制御する。

しかし、湯側温度が低い場合からの出湯で急激に供給
湯温が上昇してきている場合と定常状態でほぼ出湯温度
が安定している場合では温度偏差ｅ（設定温度と実際の
混合湯温との差）は大幅に異なっている。

偏差が大きい時に早く目標値に近づけようとするメン
バシップ関数を定めると定常の安定している近傍ではゲ
インが大きすぎて微小に混合湯温がふらついたり、これ
がひどくなるとハンチングをひきおこすことがある。

上記の現象を防ぐ手段を以下に説明する。

出湯直後や温度偏差ｅが大きい時（第５図ａ点）から
温度偏差がだんだん小さくなってくる過程において偏差
ｅのメンバシップ関数は条件部のファジイ集合の定義幅
を一定とした第３図（ａ）を用いる。第５図において温
度偏差がだんだん小さくなりその大きさがｅ＝ZOの領域
に入り（ｂ点）、さらに偏差の変化率もΔｅ＝ZOの領域
に入ると（ｃ点）混合湯温はほぼ安定したことになる。
主制御手段27は上記のように混合湯温が安定してきたこ
とを混合湯温検出手段15の信号により認識するとファジ
イ推論手段28に信号を出し、温度偏差のメンバーシップ
関数においてファジイ集合Z0の幅が大きい第３図（ｂ）
またはZ0の幅が大きくかつ、メンバーシップ関数の上限
や下限の近くでは幅を小さくしたファジイ集合NB、NM、
PB、PMを有する第３図（ｃ）のように選定する。たとえ
ば第３図（ｂ）のように変更した場合について説明する
と、第４図A,Bにおいて温度偏差が小さくなってきてｅ
＝ZO0′内に入った直後では、ルール２からｅ＝ZOの適
合度はp0′、Δｅ＝ZOの適合度はq0、この２つの適合度
の小さい方を選択し（min演算）、Δｕの適合度はr0で
カットして求める。同様にして、ルール３よりp1′,q1,
r1′、ルール４よりp2,q2,r2を求めΔｕの適合度を得
る。Δｕの適合度の和をとると（max演算）第４図Ｂ
（ａ）のようになる。第３図（ａ）のメンバシップ関数
を用いた場合（第４図Ｂ（ｂ））と第３図（ｂ）のメン
バシップ関数を用いた場合（第４図Ａ（ａ））では操作
量Δｕはほとんど差が無い。

しかし、外乱または雑音等によって温度偏差がZO0′
の領域を外れた場合の操作量Δｕは以下のようになる。
第４図C,Dにおいて温度偏差が大きくなりｅ＝ZO0′内か
ら出た直後では、ルール２からｅ＝ZOの適合度はp3、Δ
ｅ＝ZOの適合度はaq3、この２つの適合度の小さい方を
選択し（min演算）、Δｕの適合度はr3でカットして求
める。同様にして、ルール３よりp4,q4,r4、ルール４よ
りp5,q5,r5を求めΔｕの適合度を得る。Δｕの適合度の
和をとると（max演算）第４図Ｄ（ａ）のようになる。
第３図（ａ）のメンバシップ関数を用いた場合（第４図
Ｄ（ｂ））と比較するとΔｕはZOに近い。

したがって第３図（ａ）のメンバシップ関数を用いた
場合（第４図Ｄ（ｂ））のΔｕを推論結果としてコイル
26を制御する場合に比べると駆動量の変化分は小さく、
その結果混合湯温をゆっくりと設定温度にもどしてい
く。このため設定温度近傍では駆動量の変化はゆるやか
になり、微小な温度ふらつきやハンチングを生じること
は無くなる。

温度偏差ｅのメンバシップ関数を第３図（ｂ）から第
３図（ａ）のもどすのは設定手段17により設定温度を変
更した場合や、温度偏差ｅがZO1の幅を越えて変化した
際である。

さらに、主制御手段27は混合湯温が一定せずハンチン
グ等を生じていると判断した時も温度偏差ｅのメンバシ
ップ関数を第３図（ｂ）や（ｃ）に変えることにより駆
動動作をゆるやかにし、混合湯温を安定に戻すことがで
きる。このため、小流量出湯時で混合湯温の検出に時間
遅れを生じる場合でもゆっくりと操作し、安定した混合
湯温を得ることができる。

また主制御手段27は交流信号発生手段31を介して第１
の駆動量設定手段29の出力に微小交流信号を重畳してい
る。これにより混合弁駆動手段26の駆動電流に微小交流
信号を重畳することになり混合弁駆動手段24のヒステリ
シス特性や摺動抵抗を少なくすることができる。

また制御手段は第２の駆動量設定手段30を用いて流量
調節開閉弁駆動手段21を駆動し流量の調節を行う。

通常の使用状態においては水圧変動時には従来と同様
に自動調圧弁３が動作し、湯側弁体４、水側弁体６とピ
ストン９との受圧面積を等しくしておけばその２次圧PH
2とPC2とは付勢手段22と駆動手段24によりバランス点で
の状態を保つ。

発明の効果 以上のように本発明の混合湯温検出装置は、湯流路お
よび水流路と、前記湯流路および前記水流路流量を調節
する混合弁と、前記混合弁を駆動する混合弁駆動手段
と、前記混合駆動手段に駆動信号を出力する制御手段
と、前記混合弁の下流において前記湯流路と前記水流路
が合流する混合部と、前記混合部の湯温を検出する混合
湯温検出手段と、混合湯温を設定する設定手段とからな
り、前記制御手段は、条件部のファジイ集合の互いに定
義幅が同じである複数のメンバーシップ関数で構成され
るメンバーシップ関数群と、少なくともひとつのメンバ
ーシップ関数の定義幅が他と異なるメンバーシップ関数
を含むメンバーシップ関数群とを有し前記設定手段と前
記混合湯温検出手段の信号より目標値との偏差の大きさ
に応じていずれかのメンバーシップ関数群を選定する主
制御手段と前記主制御手段で選定されたメンバーシップ
関数群を用いて前記」駆動手段の駆動量を算出するファ
ジイ推論手段とを備えた構成からなり、設定温度近傍で
は温度偏差の条件部の少なくともひとつのメンバーシッ
プ関数の定義幅が他と異なるメンバーシップ関数を含む
メンバーシップ関数群を選定し、特に安定なメンバーシ
ップ関数の定義幅を大きくすること等により混合湯温が
設定温度からずれた場合でもファジイ推論手段の出力は
急峻に混合弁駆動手段を駆動すること無く混合弁の駆動
変化は緩やかになり設定温度にゆっくりともどしてい
く。このように設定温度近傍では微小な温度ふらつきや
ハンチングを生じることは無くなる。

したがって設定温度近傍において安定した混合湯を供
給することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の湯水混合制御装置の断面
図、第２図は同装置の制御ブロック図、第３図a,b,cは
同湯水混合制御装置のファジイ推論手段のメンバシップ
関数の説明図、第４図A,B,C,Dは同装置のファジイ推論
動作説明図、第５図は同装置の出湯特性図、第６図は従
来の湯水混合制御装置の断面図、第７図は同装置のファ
ジイ推論手段のメンバシップ関数の説明図である。 １……湯流路、２……水流路、15……混合湯温検出手
段、18……制御手段、19……混合部、23……混合弁。

フロントページの続き (72)発明者 米久保 寛明 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 長岡 行夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 城戸内 康夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−48701（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−312279（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】湯流路および水流路と、前記湯流路および
   前記水流路流量を調節する混合弁と、前記混合弁を駆動
   する混合弁駆動手段と、前記混合弁駆動手段に駆動信号
   を出力する制御手段と、前記混合弁の下流において前記
   湯流路と前記水流路が合流する混合部と、前記混合部の
   湯温を検出する混合湯温検出手段と、混合湯温を設定す
   る設定手段とからなり、前記制御手段は、条件部のファ
   ジイ集合の互いに定義幅が同じである複数のメンバーシ
   ップ関数で構成されるメンバーシップ関数群と、少なく
   ともひとつのメンバーシップ関数の定義幅が他と異なる
   メンバーシップ関数を含むメンバーシップ関数群とを有
   し前記設定手段と前記混合湯温検出手段の信号より目標
   値との偏差の大きさに応じて上記いずれかのメンバーシ
   ップ関数群を選定する主制御手段と前記主制御手段で選
   定されたメンバーシップ関数群を用いて前記駆動手段の
   駆動量を算出するファジイ推論手段とを有する湯水混合
   制御装置。