JP3435808B2 - 空気調和装置の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、空気調和装置の制御装
置に関し、特に、環境条件の適応対策に係るものであ
る。 【０００２】 【従来の技術】従来より、空気調和装置である空調機の
制御装置には、各種のものが提案されており、一般的
に、図６に示すように、コントローラ(90)に設定温度Ｔ
が入力されると、該コントローラ(90)が空調機(91)を制
御し、該空調機(91)が環境である室内(92)を空調するこ
とになる。そして、室内温度Taがコントローラ(90)にフ
ィードバックされ、該コントローラ(90)は室内温度Taが
設定温度Ｔになるように空調機(91)を制御することにな
る。 【０００３】また、上記室内温度Taの入力のみでは、居
住者の快適性を向上させることができないので、特開平
５−２３１６９３号公報に開示されているように、個人
差学習適応制御を適用したものがあり、この制御装置
は、室内温度などの室内(92)の環境物理量と、４つのパ
ラメータとの関数である予測温冷感の温冷感指標を演算
する一方、居住者より真温冷感を申告してもらい、上記
パラメータを学習させ、このパラメータと上記室内温度
等より温冷感指標を演算し、この温冷感指標に基づいて
圧縮機の周波数を制御して、居住者の快適感を満足させ
るようにしたものである。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た空気調和装置の制御装置において、制御対象である部
屋環境は代表的なものを想定して制御するようにしてお
り、コントローラの制御ゲインが最適値に設定されてい
るとはいえないという問題があった。 【０００５】つまり、従来、部屋環境は、例えば、６畳
間や８畳間などを固定して設定されており、また、部屋
環境は、同じ広さの部屋であっても家具等によって環境
が異なるものである。 【０００６】しかるに、従来、これらの部屋環境につい
ては、環境条件を固定して制御しているので、居住者の
快適状態にまで室内(92)を空調するのに時間を要するこ
とになる。 【０００７】具体的に、図５Ｘに示すように、暖房運転
を開始すると、一旦、室内温度は快適温度Ｚを越えてオ
ーバーシュートした後、快適温度Ｚに収束することにな
り、快適性の向上を図れないという問題があった。 【０００８】本発明は、斯かる点に鑑みてなされたもの
で、環境条件に適した空調運転を行えるようにして快適
性の向上を図ることを目的とするものである。 【０００９】 【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明が講じた手段は、環境条件に適した制御ゲ
インを設定するようにしたものである。 【００１０】具体的に、図１に示すように、請求項１に
係る発明が講じた手段は、先ず、空調空間(11)を空気調
和する空気調和装置(20)と、上記空調空間(11)の内部空
気温度が所定値になるように空気調和装置(20)を運転制
御するコントローラ(30)とを備えている空気調和装置の
制御装置を前提としている。 【００１１】そして、上記空調空間(11)の内部の空気温
度を検出する内部温度検出手段(40)と、上記空調空間(1
1)の外部の空気温度を検出する外部温度検出手段(41)と
が設けられると共に、上記空気調和装置(20)から空調空
間(11)への熱入力を検出する熱入力検出手段(42)と、上
記空気調和装置(20)の無駄時間を検出する無駄時間検出
手段(31)とが設けられている。 【００１２】更に、上記内部温度検出手段(40)及び外部
温度検出手段(41)が検出した内部空気温度及び外部空気
温度と、熱入力検出手段(42)が検出した熱入力とに基づ
いて、空調空間(11)の環境状態を特定する熱的状態方程
式の複数のパラメータを導出するパラメータ演算手段(3
2)が設けられている。 【００１３】加えて、上記パラメータ演算手段(32)が導
出したパラメータと上記無駄時間検出手段(31)が検出し
た無駄時間とよりコントローラ(30)の制御ゲインを導出
して該制御ゲインをコントローラ(30)に出力するゲイン
演算手段(33)が設けられている。 【００１４】また、上記熱入力検出手段(42)が、熱入力
ｑに対応する空気調和装置(20)の周波数入力Ｆを検出す
るように構成されている。そして、上記パラメータ演算
手段(32)は、内部空気温度Taと外部空気温度Toと無駄時
間Ｌと内部空気温度Taの変化量dTa/dtと空調空間(11)の
熱容量Caと空調空間(11)の内外の間の熱伝達係数ｈと周
波数入力Ｆと該周波数入力Ｆの係数ｋとによって特定さ
れる状態方程式における熱容量Caと熱伝達係数ｈと係数
ｋとを最小自乗法によって導出するように構成されてい
る。 【００１５】 【作用】上記の構成により、請求項１に係る発明では、
例えば、空気調和装置(20)を起動すると、内部温度検出
手段(40)が空調空間(11)の内部空気温度を、外部温度検
出手段(41)が空調空間(11)の外部空気温度をそれぞれ検
出する一方、熱入力検出手段(42)が空調空間(11)への熱
入力を、無駄時間検出手段(31)が無駄時間を検出する。 【００１６】そして、パラメータ演算手段(32)は、上記
内部温度検出手段(40)及び外部温度検出手段(41)が検出
した内部空気温度及び外部空気温度と、熱入力検出手段
(42)が検出した熱入力とに基づいて、空調空間(11)の環
境状態を特定する熱的状態方程式の複数のパラメータを
導出する。 【００１７】具体的に、熱入力検出手段(42)が熱入力ｑ
に対応する空気調和装置(20)の周波数入力Ｆを検出する
一方、パラメータ演算手段(32)が、内部空気温度Taと外
部空気温度Toと無駄時間Ｌと内部空気温度Taの変化量dT
a/dtと空調空間(11)の熱容量Caと空調空間(11)の内外の
間の熱伝達係数ｈと周波数入力Ｆと該周波数入力Ｆの係
数ｋとによって特定される状態方程式における熱容量Ca
と熱伝達係数ｈと係数ｋとを最小自乗法によって導出す
ることになる。 【００１８】つまり、本願発明者らは、空調空間(11)の
環境状態を、室内温度Taと室外温度Toと無駄時間Ｌと室
内温度Taの変化量dTa/dtと空調空間(11)の熱容量Caと空
調空間(11)の熱伝達係数ｈと周波数入力Ｆと係数ｋとに
よって簡単な状態方程式で特定することができる点を見
出だし、熱容量Caと熱伝達係数ｈと係数ｋとを最小自乗
法によって導出するようにしたものである。 【００１９】続いて、ゲイン演算手段(33)は、上記パラ
メータ演算手段(32)が導出したパラメータと、上記無駄
時間検出手段(31)が検出した無駄時間Ｌとよってコント
ローラ(30)の制御ゲインを導出して該制御ゲインをコン
トローラ(30)に出力することになる。 【００２０】その後、上記ゲイン演算手段(33)が導出し
た制御ゲインがコントローラ(30)に出力され、該コント
ローラ(30)の制御ゲインが設定されて環境状態にコント
ローラ(30)がシステム同定された後、通常の温度制御が
コントローラ(30)によって行われ、空調空間(11)の環境
に合った運転制御が行われることになる。 【００２１】 【発明の効果】従って、請求項１に係る発明によれば、
空調空間(11)の環境状態を簡単な熱的状態方程式で特定
し、パラメータ演算手段(32)とゲイン演算手段(33)によ
って空調空間(11)の環境に対応して制御ゲインを設定す
るようにしたゝめに、例えば、６畳間や８畳間などに対
応して部屋の環境に適した制御ゲインを設定することが
できる。 【００２２】この結果、内部温度が設定温度に対してオ
ーバーシュートしたり、内部温度が振動したりすること
がなく、安定した温度制御を行うことができるので、短
時間で設定温度に室内温度を到達させることができる。
そして、快適性の向上を図ることができると共に、エネ
ルギロスの低減を図ることができる。 【００２３】また、最小自乗法によってパラメータを導
出するので、確かなパラメータを導出することができ、
正確なシステム同定を行うことができる。 【００２４】 【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。 【００２５】図２に示すように、(10)は、本発明が適用
される空調システムであって、空調空間である閉空間の
部屋(11)に壁掛型の空気調和装置(20)が設置されて構成
され、部屋(11)の室内温度が設定値になるように空気調
和装置(20)が室内を空気調和している。尚、以下、上記
空気調和装置(20)を空調機という。 【００２６】図３は、上記空調機(20)の制御ブロックを
示しており、コントローラ(30)は、設定部(21)より設定
温度が入力されると、制御信号を空調機(20)に出力して
該空調機(20)を制御するように構成されている。そし
て、該空調機(20)が空気調和した室内温度がコントロー
ラ(30)にフィードバックされている。 【００２７】また、上記空調システム(10)には、室温セ
ンサ(40)と外気温センサ(41)と周波数センサ(42)とが設
けられる一方、無駄時間検出手段(31)とパラメータ演算
手段(32)とゲイン演算手段(33)とが設けられて環境状態
にコントローラ(30)をシステム同定するように構成され
ている。 【００２８】上記室温センサ(40)は、部屋(11)の内部の
空気温度である室内温度Taを検出する内部温度検出手段
を構成し、外気温センサ(41)は、部屋(11)の外部の空気
温度である室外温度Toを検出する外部温度検出手段を構
成している。 【００２９】上記周波数センサ(42)は、空調機(20)から
部屋(11)への熱入力ｑを検出する熱入力検出手段を構成
しており、つまり、熱入力ｑは、空調機(20)の圧縮機に
入力される周波数入力Ｆに比例し、該周波数入力Ｆに係
数ｋを掛けた値に等しくなるので、上記周波数センサ(4
2)は、熱入力ｑの基となる周波数入力Ｆを検出するよう
に構成されている。 【００３０】また、上記無駄時間検出手段(31)は、空調
機(20)の無駄時間を検出している。つまり、無駄時間検
出手段(31)は、空調機(20)の入力に対して応答する空調
機(20)の出力の時間間隔を検出し、例えば、空調運転時
において、室内温度Taの変化量が所定値になると、温度
設定等の入力に対する応答時間を無駄時間として検出す
るように構成されている。 【００３１】上記パラメータ演算手段(32)は、室温セン
サ(40)、外気温センサ(41)及び周波数センサ(42)の検出
信号を受けて、上記部屋(11)の環境状態を特定する熱的
状態方程式における熱容量Caと熱伝達係数ｈと係数ｋと
を最小自乗法によって導出するように構成されている。 【００３２】つまり、本願発明者らは、部屋(11)の環境
状態を、室内温度Taと室外温度Toと無駄時間Ｌと室内温
度Taの変化量dTa/dtと部屋(11)の熱容量Caと部屋(11)の
熱伝達係数ｈと周波数入力Ｆと係数ｋとによって簡単な
状態方程式で特定することができる点を見出だし、熱容
量Caと熱伝達係数ｈと係数ｋとを最小自乗法によって導
出するようにしたものである。 【００３３】上記ゲイン演算手段(33)は、パラメータ演
算手段(32)が導出した熱容量Ca、熱伝達係数ｈ及び係数
ｋと無駄時間検出手段(31)が検出した無駄時間Ｌとによ
ってチェンらの経験式に基づきコントローラ(30)の制御
ゲインを導出して該制御ゲインをコントローラ(30)に出
力するように構成されている。 【００３４】そこで、上記熱容量Caと熱伝達係数ｈと係
数ｋと無駄時間Ｌとによってコントローラ(30)をシステ
ム同定するようにした基本的原理について説明する。 【００３５】先ず、基本となる熱に関する部屋(11)の環
境状態は、比較的簡単な微分方程式として次式の通りに
表すことができる。 【００３６】 【式１】 この式は、上述した熱的状態方程式であって、Ｔa(t)
は室内温度、Ｔo(t)は室外温度、q(t-L)は空調機(20)か
らの熱入力である。また、Caは部屋(11)の熱容量、ｈは
室内と室外との間の熱伝達係数で、体積及び面積等に関
する効果が含まれているものとしている。Ｌは無駄時間
である。 【００３７】上記式は、熱入力q(t-L)が周波数入力F
(t-L)に係数ｋを掛けた値に等しくなると考えられるの
で、次式の通りになる。 【式２】 【００３８】この式をラプラス変換すると、次式の通
りとなる。 【式３】 この式において、右辺第１項が室内に関するものであ
って、第２項が室外に関するものであり、室内温度taと
周波数入力Ｆとの間には、時間遅れ（一時遅れ）Ca/hに
無駄時間Ｌを加算した関係｛(Ca/h)＋L]にあることが解
る。 【００３９】この比例係数k/h 、時間遅れCa/h及び無駄
時間Ｌが解れば、コントローラ(30)の制御ゲインである
ＰＩＤゲイン又はＰＩゲインをチェンらの経験式より求
めることができる。 【００４０】 【式４】 この式及び式に示すチェンらの経験式は、制御対象
が無駄時間＋一時遅れ系として取扱うことが可能である
場合、比例係数Ｋと時定数Ｔと無駄時間ＬとによってＰ
ＩＤコントローラ(30)又はＰＩコントローラ(30)の制御
ゲインを導出することができるとするものである。 【００４１】上記式及び式に上述した比例係数k/h
、時間遅れCa/h及び無駄時間Ｌを代入すると、 【式５】 となり、つまり、係数ｋと熱容量Caと熱伝達係数ｈと無
駄時間Ｌが解れば、コントローラ(30)におけるＰＩＤゲ
イン又はＰＩゲインを決定することができることにな
る。 【００４２】一方、上記式において、室内温度Taと室
外温度Toと周波数入力Ｆは、センシングによって得られ
る物理変数であり、熱容量Caと熱伝達係数ｈと係数ｋと
は、時系列データを集めることによって最小自乗法で得
ることができる。 【００４３】また、無駄時間Ｌは、上述したように空調
機(20)の起動時における室内温度Taの温度変動によって
検出することができる。 【００４４】そこで、上記熱容量Caと熱伝達係数ｈと係
数ｋとを求める最小自乗法を逐次学習型のアルゴリズム
にすることによって少ないメモリで効率よく求めること
ができる。 【００４５】この逐次学習型最小自乗法アルゴリズムを
数学的に表現すると、次の通りとなり、先ず、上記式
を変形すると、 【式６】 となり、そして、検出される検出値のセンシングベクト
ルＺN 及び求めるパラメータのパラメータベクトルＣha
tNは次の通り定義される。 【００４６】 【式７】 上記式のパラメータベクトルＣhatNを次式に従って逐
次更新し、学習及び適応を行い、このパラメータベクト
ルＣhatNによって上記比例係数k/h 及び時間遅れCa/hを
導出して最適なコントローラ(30)の制御ゲインを設定す
るようにしている。 【００４７】 【式８】 尚、上記パラメータベクトルＣhatNは、センシングの度
に更新することができるが、センシングデータが振動誤
差を含む場合、数点の時系列データに対してスムージン
グを行うことが好ましい。 【００４８】−システム同定動作− 次に、上記空調システム(10)のシステム同定動作につい
て図４に基づき説明する。 【００４９】先ず、空調機(20)を起動すると、ステップ
ST１において、初期値を設定をした後、ステップST２に
移り、センシングタイムを計数するタイマをリセットし
た後、ステップST３に移り、部屋(11)の物理変数をセン
シングする。つまり、室内センサが検出する室内温度Ta
と、外気温センサ(41)が検出する室外温度Toと、周波数
センサ(42)が検出する空調機(20)における圧縮機の周波
数入力Ｆとを取込んだ後、ステップST４に移り、無駄時
間Ｌの測定を要するか否かを判定する。 【００５０】この無駄時間Ｌの測定を要するか否かは、
例えば、室温センサ(40)が検出する室内温度Taの変化量
dTa/dtが設定値より大きいか否かによって判定してお
り、この室内温度Taの変化量dTa/dtが設定値より大きい
場合、上記ステップST４からステップST５に移り、無駄
時間検出手段(31)が温度設定等の入力に対する応答時間
を無駄時間Ｌとして検出し、ステップST６に移ることに
なる。 【００５１】一方、上記室内温度Taの変化量dTa/dtが設
定値より小さい場合、上記無駄時間Ｌの測定を要しない
として、上記ステップST４からステップST６に移ること
になる。 【００５２】上記ステップST６では、学習モードへの移
行を要するか否かを判定しており、通常の空調運転時に
おいてはシステム同定が行われているので、ステップST
６の判定がＮＯとなってステップST７に移り、コントロ
ーラ(30)が空調機(20)を通常の温度制御することにな
る。 【００５３】一方、空調機(20)の据付時の初期運転時や
室内温度Taが異常である場合等においては、システム同
定がなされていないとして上記ステップST６の判定がＹ
ＥＳとなってステップST８に移り、本発明の特徴とする
学習アルゴリズムによるシステム同定を行うことにな
る。 【００５４】具体的に、室温センサ(40)が検出する室内
温度Taと外気温センサ(41)が検出する室外温度Toと周波
数センサ(42)が検出する周波数入力Ｆとを逐次取込み、
この室内温度Taと室外温度Toと周波数入力Ｆとからパラ
メータ演算手段(32)が式(10)に基づき最小自乗法によっ
て式のパラメータベクトルＣhatNを更新して比例係数
k/h 及び時間遅れCa/hを導出することになる。 【００５５】その後、上記ステップST８からステップST
９に移り、上記パラメータ演算手段(32)が導出した比例
係数k/h 及び時間遅れCa/hと、無駄時間検出手段(31)が
検出した無駄時間Ｌとからゲイン演算手段(33)が、式
又は式に示すチェンらの経験式に基づいて制御ゲイン
である比例ゲインKpと積分ゲインTiの他、必要に応じて
微分ゲインTdを導出する。 【００５６】その後、上記ゲイン演算手段(33)が導出し
た制御ゲインがコントローラ(30)に出力されて該コント
ローラ(30)の制御ゲインが設定されてシステム同定され
ることになる。そして、上記ステップST９からステップ
ST７に移り、通常の温度制御がコントローラ(30)によっ
て行われる。その際、上記コントローラ(30)のシステム
同定がなされているので、部屋(11)の環境に合った運転
制御が行われることになる。 【００５７】続いて、上記ステップST７からステップST
10に移り、システム同定が終了したか否かを判定し、例
えば、上記ゲイン演算手段(33)が演算した制御ゲインが
所定値に収束するまで上記ステップST10からステップST
11に移り、タイマのセンシングタイムを進めて上記ステ
ップST３に戻り、上述した動作を繰返し、上記ステップ
ST８における式のパラメータベクトルＣhatNを更新し
てシステム同定を行うことになる。 【００５８】その後、上記制御ゲインが所定値に収束す
ると、上記ステップST10の判定がＹＥＳとなってシステ
ム同定が完了し、この同定した制御ゲインで空調運転を
制御することになる。 【００５９】このシステム同定によって、従来、図５Ｘ
に示すように、暖房運転を開始すると、一旦、室内温度
は快適温度Ｚを越えてオーバーシュートした後、快適温
度Ｚに収束していたのに対し、本実施例では、図５Ｙに
示すように、室内温度Taが安定して且つ迅速に快適温度
Ｚに収束することになる。 【００６０】−実施例の効果− 以上のように、本実施例によれば、部屋(11)の環境状態
を簡単な熱的状態方程式で特定し、パラメータ演算手段
(32)とゲイン演算手段(33)によって部屋(11)の環境状態
に対応して制御ゲインを設定するようにしたゝめに、例
えば、６畳間や８畳間などに対応して部屋(11)の環境に
適した制御ゲインを設定することができる。 【００６１】この結果、室内温度Taが設定温度に対して
オーバーシュートしたり、室内温度Taが振動したりする
ことがなく、安定した温度制御を行うことができるの
で、短時間で設定温度に室内温度を到達させることがで
きる。そして、快適性の向上を図ることができると共
に、エネルギロスの低減を図ることができる。 【００６２】また、上記パラメータ演算手段(32)が、最
小自乗法によってパラメータを導出するので、確かなパ
ラメータを導出することができ、正確なシステム同定を
行うことができる。 【００６３】−その他の変形例− 尚、本実施例においては、パラメータ演算手段(32)は、
最小自乗法によってパラメータを導出するようにした
が、請求項１の発明では、バックプロパゲーションアル
ゴリズムなどのニューラルネットワークを適用してパラ
メータを導出するようにしてもよい。 【００６４】また、ゲイン演算手段(33)は、比例係数k/
h と時間遅れCa/hと無駄時間Ｌとの３因子に対して最適
なＰＩＤゲイン又はＰＩゲインを予めシュミレーション
によって近似式にするか、ルールベーストに求めるプロ
グラムを作成して、制御ゲインを導出するようにしても
よい。 【００６５】また、コントローラ(30)は、ＰＩＤ制御又
はＰＩ制御の他、ファジィ制御するようにしてもよく、
その際、ファジィ制御の制御ゲインをシステム同定する
ことになる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の構成を示すブロック図である。 【図２】空調システムを示すシステム概略図である。 【図３】空調システムの制御ブロック図である。 【図４】システム同定の制御フロー図である。 【図５】室内温度の変化特性図である。 【図６】従来の空調システムの制御ブロック図である。 【符号の説明】 11 部屋（空調空間） 20 空調機（空気調和装置） 30 コントローラ 31 無駄時間検出手段 32 パラメータ演算手段 33 ゲイン演算手段 40 室温センサ（内部温度検出手段） 41 外気温センサ（外部温度検出手段） 42 周波数センサ（熱入力検出手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−146447（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−14156（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−51650（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−133591（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−26691（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−30902（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F24F 11/02

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 空調空間(11)を空気調和する空気調和装
   置(20)と、 上記空調空間(11)の内部空気温度が所定値になるように
   空気調和装置(20)を運転制御するコントローラ(30)とを
   備えている空気調和装置の制御装置において、 上記空調空間(11)の内部の空気温度を検出する内部温度
   検出手段(40)と、 上記空調空間(11)の外部の空気温度を検出する外部温度
   検出手段(41)と、 上記空気調和装置(20)から空調空間(11)への熱入力を検
   出する熱入力検出手段(42)と、 上記空気調和装置(20)の無駄時間を検出する無駄時間検
   出手段(31)と、 上記内部温度検出手段(40)及び外部温度検出手段(41)が
   検出した内部空気温度及び外部空気温度と、熱入力検出
   手段(42)が検出した熱入力とに基づいて、空調空間(11)
   の環境状態を特定する熱的状態方程式の複数のパラメー
   タを導出するパラメータ演算手段(32)と、 該パラメータ演算手段(32)が導出したパラメータと上記
   無駄時間検出手段(31)が検出した無駄時間とよりコント
   ローラ(30)の制御ゲインを導出して該制御ゲインをコン
   トローラ(30)に出力するゲイン演算手段(33)とを備える
   一方、 上記熱入力検出手段(42)は、熱入力ｑに対応する空気調
   和装置(20)の周波数入力Ｆを検出するように構成され、 上記パラメータ演算手段(32)は、内部空気温度Taと外部
   空気温度Toと無駄時間Ｌと内部空気温度Taの変化量dTa/
   dtと空調空間(11)の熱容量Caと空調空間(11)の内外の間
   の熱伝達係数ｈと周波数入力Ｆと該周波数入力Ｆの係数
   ｋとによって特定される状態方程式における熱容量Caと
   熱伝達係数ｈと係数ｋとを最小自乗法によって導出する
   ように構成されている ことを特徴とする空気調和装置の
   制御装置。