JP4383688B2

JP4383688B2 - 空調機制御用の温度変化量算出方法、および空調機のフィードフォワード制御方法

Info

Publication number: JP4383688B2
Application number: JP2001125281A
Authority: JP
Inventors: 誠文内原; 貴史山本; 年男成田; 勇高橋
Original assignee: Trinity Industrial Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Trinity Industrial Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2021-04-24
Also published as: JP2002323252A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加湿器による温度変化量算出方法に関する。特に本発明は、空調機の制御に用いられる加湿器のモデル構築に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両生産用の塗装ブースは、ブース内の空気の温度を塗装に適した温湿度に維持する必要がある。ブース内の温湿度の調節は、空調機によって行われている。従来の空調機の温湿度制御では、ＰＩＤ（Proportion Integration Differential）制御などによるフィードバック制御が行われている。空調機の特性（モデル）を加味した制御系（モデルベース制御、またはフィードフォワード制御）は行われていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
フィードバック制御では、設定温湿度との偏差にしたがって制御入力を決定するために、設定値、あるいは外気条件が違うとそれによって応答性が異なる。特に偏差が大きいときは、フィードバック制御は、オーバーシュートやハンチングを起こしやすい。したがって、オーバーシュート等を起こさないようにするにはＰＩＤフィードバックのゲインを小さくするしかない。その結果、応答（設定温湿度に達するまでの時間）が遅くなる。このためフィードバック制御では、設定温湿度に達するまでの時間（条件を満たしていないので塗装できない時間、すなわち、非稼働時間）が長いために、エネルギーロスが大きい。また、ＰＩＤフィードバックゲインを大きくできないことから、設定温湿度に対し定常偏差が残る場合があり、制御の精度が悪く、場合によっては設定温湿度を外れることがある。すなわち、温湿度制御の高精度化の要求に対してはＰＩＤフィードバック制御では対応に限界がある。
【０００４】
一方、フィードフォワード制御が行われていない背景には、断熱加湿器のモデル化が容易ではないこと、および、理論式に基づいて数理モデルを立てると非常に複雑なモデルになり、数理モデルを制御系に組み込むのが困難であることが挙げられる。断熱加湿器のモデル化が難しい理由は、加湿器での加湿、温度変化のメカニズムが複雑で、かつその変化量は、加湿器前段の温湿度やそのバラツキ、加湿効率など、様々な要因の影響を受け、それらが複雑に絡み合っているためであると考えられる。また、数理モデルが複雑な理由は、空気線図上の状態の推移を数式で表すと、非常に複雑になるため、また、個々のパラメータの同定が不可能に近いためであると考えられる。
【０００５】
そこで本発明は、上記の課題を解決することのできる加湿器による温度変化量算出方法、および空調機のフィードフォワード制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、加湿器による温度変化量を算出する方法であって、空気線上における飽和蒸気線の任意の点と、加湿を始める前の点との距離を算出する距離算出ステップと、距離算出ステップによって算出された距離に基づいて、加湿前後の温度変化量を算出する温度変化量算出ステップと、を備える。
【０００７】
本発明の距離算出ステップは、加湿を始める前の点を含む等エンタルピ線と飽和蒸気線との交点から、加湿を始める前の点までの距離を算出する。
【０００８】
本発明の温度変化量算出ステップは、距離算出ステップによって算出された距離を変数とする関数によって温度変化量を算出する。
【０００９】
本発明は、加熱器と加湿器とを含む空調機をフィードフォワード制御する方法であって、空気線上における飽和蒸気線の任意の点と、加湿を始める前の点との距離に基づいて算出された温度変化量に基づいて、加熱器による加熱量を制御する。
【００１０】
本発明は、分割された領域ごとに加湿量が制御される加湿器による温度変化量を算出する方法であって、分割領域ごとに、空気線上における飽和蒸気線の任意の点と、分割領域における加湿を始める前の点との距離を算出するステップと、分割領域ごとに、算出された距離に基づいて、加湿前後の温度変化量を算出する温度変化量算出ステップと、を備える。
【００１１】
ここで、加湿の前後で断熱変化を生じる加湿器のモデル化について、以下に説明する。加湿器の典型例は、水を含む濡れ壁である。濡れ壁中の水の量はバルブ開度により調節することができる。
【００１２】
図１は、加湿器のバルブ開度を変えたときの温度変化を表わすグラフである。このグラフにおいて、同じバルブ開度におけるプロットは、異なる温湿度条件における結果を表わす。このグラフ中、実線はバルブ開度と温度変化との関係を、２次関数でフィッテングしたものである。２次関数によるモデルと、実際のデータとの相関係数は０．４７である。このように、バルブ開度をパラメータとして温湿度変化を制御するモデルは、加湿前の温湿度条件によってバラツキが大きく、精度が十分得られない。したがって、加湿器をモデル化するには、バルブ開度以外のパラメータが必要であることがわかる。しかし、モデルを理論式により求めようとすると、加湿器前段の空気温湿度、または、加湿器固有の形状、もしくは特性など様々な条件が入り込むため、非常に複雑になり、非現実的である。そこで、空気線図上のあるパラメータに着目し、簡潔かつ精度の良いモデルを得る方法を提案する。
【００１３】
図２は、加湿器のバルブ開度を所定の値にしたときに、加湿前の空気の温湿度を様々な条件にした場合の温度変化量を表わす３次元グラフである。このグラフの底面の２軸は、それぞれ、加湿を開始する前の空気の温度、絶対水分量を示す。各外気条件（温度、絶対水分量）において、加湿を行った場合の温度変化量ΔＴが、上記温度を示す軸、および絶対水分量を示す軸と直交する軸に示されている。このグラフから、各外気条件における温度変化量を示す点がほぼ同一平面上に乗っていることがわかる。そして、この平面と３次元グラフの底面とが交差する線は、飽和蒸気線とほぼ一致することが見出された。さらに、各温度変化量ΔＴは、加湿をする前の外気の温度、および絶対水分量を示す点が、飽和蒸気線より遠いほど大きくなる傾向があることがわかる。すなわち、温度低下量ΔＴは、加湿前の空気温湿度と飽和蒸気線との距離に依存することが明らかになった。以下では、加湿前の空気温湿度と飽和蒸気線との距離を、パラメータｄと呼ぶ。パラメータｄによって、加湿器の温度低下モデルが表わされる。
【００１４】
[加湿器の温度低下モデル]
図３は、パラメータｄを空気線図上で表わしたグラフである。パラメータｄは、理論式で表わす場合には、温度Ｔのみに着目した一例として、Ｗｅｘｌｅｒ−Ｈｙｌａｎｄの式などを用いて記述できる。しかし、この式は非常に複雑であるので、以下の式のようにｂの２次関数で近似した。ここで、ｂは加湿前の空気の状態を含む等エンタルピ線の切片に相当する。
【００１５】
ｄ≒Ｔ−（−１３８８９ｂ²＋１４１８．８ｂ−４．９２８３）
【００１６】
加湿器の温度変化量ΔＴは、パラメータｄを用いて、次式のように表わす。
【００１７】
ΔＴ＝Ａ・ｄ＋Ｂ
【００１８】
ここで、係数Ａおよび定数Ｂは、たとえば、算出したパラメータｄと実測したΔＴについて最小二乗法により求める。
【００１９】
このように、加湿器での温度変化量を、空気線図上のパラメータｄに依存するとしたことにより、加湿器前段の温度、湿度など、様々な要因に依存する加湿器での温度変化量を一つのパラメータだけで表現でき、モデルが非常に簡潔化できる。また、モデルが簡潔なため、加湿器を含む空調機の制御系にモデルを組み込むことが容易になる。また、加湿器の高精度かつ簡潔なモデルにより、ブース空調の制御の高性能化（応答性、追従性）が可能となり、空調に要する無駄なエネルギーを削減することができる。
【００２０】
なお、パラメータｄの経路としては、加湿器による状態変化が断熱変化の場合には、加湿前の点を通る等エンタルピ線上が好適な例である。また、断熱変化を伴わない加湿器については、パラメータｄの経路として、加湿器の温水の温度等で決まる線上を用いてもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。
【００２２】
[実施形態１]
図４は、本実施形態が実施される空調システムの概略を示す図である。本実施形態においては、ブース２００内に空調機１０によって調節された空気が送られる。空調が必要とされる設備の好適な例として、車両の塗装作業が行われる塗装ブースがある。塗装ブースにおいては、ブース２００内の空気は、塗装工程に適した所定の温湿度に維持される必要がある。
【００２３】
空調機１０は、外気を取り入れ、取り入れた外気を所定の温湿度に調節する。所定の温湿度に調節された空気は、ファン３００によりブース２００内に送られる。ブース２００には、別のファン３１０が設置されており、ファン３１０によりブース２００内の空気が排気される。
【００２４】
空調機１０は、加熱器２０、第１の加湿器３０、第２の加湿器４０を有する。加熱器２０、第１の加湿器３０、および第２の加湿器４０の具体例を図５に示す。加熱器２０は、加熱器２０を通過する空気の温度を所定の温度まで上昇させる。加熱器２０の典型例はスチームヒータである。加熱器２０は加温のみを行い、湿度への影響は無視できる。第１の加湿器３０は、第１の加湿器３０を通過する空気の湿度を所定の湿度まで上昇させる。第１の加湿器３０の典型例は、水を含む濡れ壁（ワッシャ）である。濡れ壁中の水の量はバルブ開度により調節することができる。空気は、濡れ壁を通過することにより加湿される。加湿量はバルブ開度により調節可能である。なお、加湿がされると空気の温度低下も同時に起きる。このときの状態変化は、断熱変化である。第２の加湿器４０は、第２の加湿器４０を通過する空気の湿度を微調整する。第２の加湿器４０を通過する空気の温度はほぼ一定である。第２の加湿器４０の典型例は、スチーム噴霧装置である。
【００２５】
図６は、空調制御装置５０の概略を示すブロック図である。空調制御装置５０は、温湿度設定部１１０、ＦＦ（フィードフォワード）制御部６０、およびＦＢ（フィードバック）制御部１００を備える。温湿度設定部１１０は、外気温度および外気湿度、並びにブース２００内の空気の設定温度、および設定湿度についての入力を受け付ける。また、温湿度設定部１１０は、受け付けた設定温湿度等の情報を、ＦＦ制御部６０およびＦＢ制御部１００に送信する。ＦＦ制御部６０は、ブース２００に供給される空気が所定の設定温湿度になるように、空調機１０の制御量を調節する。
【００２６】
ＦＦ制御部６０は、加熱制御部７０、第１の加湿制御部８０、および第２の加湿制御部９０を含む。加熱制御部７０は、加熱器２０の動作を制御する。スチームヒータの例では、スチームの温度、または流量が制御される。第１の加湿制御部８０は、第１の加湿器３０の動作を制御する。ワッシャの例では、バルブ開度が制御される。第２の加湿制御部９０は、第２の加湿器４０の動作を制御する。スチーム噴霧装置の例では、スチームの噴霧量が制御される。
【００２７】
ＦＦ制御は、空気を所定の設定温湿度にするために、加熱器２０、第１の加湿器３０、および第２の加湿器４０の動作特性（モデル）に基づいて行われる。加熱器２０、第１の加湿器３０、および第２の加湿器４０の動作特性は、それらを通過する空気の状態変化を予め調べることにより求められる。ＦＦ制御に用いるモデルの算出方法、およびモデルに基づいたＦＦ制御については後述する。
【００２８】
ＦＢ制御部１００は、ブース２００内に設けられた温湿度センサ２１０から、ブース２００内の温湿度に関する情報を受け取り、ブース２００内の設定温湿度と偏差がある場合には、その偏差を打ち消すように空調機１０の制御量を調節する。なお、ＦＢ制御は、ＦＦ制御を補佐するためのものであり、本実施形態においては、必ずしも必須ではないが、ＦＢ制御により、設定温湿度に達した後の、空調機１０の制御をよりきめ細かく行うことができる。
【００２９】
[ＦＦ制御用の温度変化モデルの算出のフロー]
図７は、第１の加湿器３０の温度変化モデルを算出するフローチャートである。第１の加湿器３０には、加湿前後の空気の温湿度を測定する温湿度センサが設けられている。まず、第１の加湿器３０による加湿前の空気の温度および湿度が測定される（Ｓ１０）。次に、加湿前の空気の温度および湿度からそれに対応するパラメータｄが求めらる（Ｓ２０）。続いて、第１の加湿器３０による空気の加湿が行われる（Ｓ３０）。加湿後の空気の温度と、加湿前の空気の温度との差ΔTが測定される（Ｓ４０）。パラメータｄに対して温度変化量ΔTがグラフ上にプロットされる（Ｓ５０）。プロットされた点について、たとえば最小二乗法により一次近似式が算出され、算出された一次近似式と、実際の点との相関係数が計算される（Ｓ６０）。相関係数が所定の条件（たとえば「相関係数≧0.9」）を満たすか否かが判定される（Ｓ７０）。相関係数が所定の条件を満たす場合には、高相関とみなされ、一次近似式で求まった係数をＦＦ制御に用いる。相関係数が所定の条件を満たさない場合には、加湿前の空気温湿度を変化させた後（Ｓ８０）、再度、加湿前空気温湿度測定（Ｓ１０）に続く処理が行われる。
【００３０】
[ｄの算出方法]
パラメータｄは、次式を用いて算出することができる。
【００３１】
ｄ≒Ｔ−（−１３８８９ｂ²＋１４１８．８ｂ−４．９２８３）
【００３２】
なお、このパラメータｄは、加湿前の空気温湿度からその温湿度の等エンタルピ線を求め、その直線の切片から直線と飽和蒸気線の交点を２次式を解いて求め、加湿前空気温湿度の点との差を取ることによって近似的に得た式である。
【００３３】
[温度変化量ΔＴの予測]
図８は、算出されたパラメータｄとそれに対応する温度変化量ΔＴの実測値をプロットしたグラフである。このグラフ中の実線は、ｄとΔＴとの関係を最小二乗法によりフィッティングした線を表わす。これにより、ΔＴがｄの一次式で近似することができる。
【００３４】
[ＦＦ制御]
まず、外気の湿度と、設定湿度との差に基づいて、第１の加湿器３０のバルブ開度が設定される。第１の加湿器３０による加湿量は、設定湿度を越えない範囲で、なるべく設定湿度に近づくような量である。次に、第１の加湿器３０による加湿の際に生じる温度低下量ΔＴが予測される。ΔＴは上記のようにして求めたｄの一次式を使って予測される。
【００３５】
加熱器２０の加熱量は、設定温度と空調前の空気の温度との差に、温度低下量ΔＴを加えた量である。すなわち、第１の加湿器３０による温度低下量ΔＴが予測されることにより、加熱器２０による温度上昇を適切に設定することができる。
【００３６】
第２の加湿器４０による加湿量は、第１の加湿器３０による加湿、冷却後の空気の湿度と、設定湿度との差に相当する量である。
【００３７】
ＦＦ制御部６０は、加熱器２０、第１の加湿器３０、および第２の加湿器４０を上記の条件を満たすように制御する。
【００３８】
図９の空気線図を用いて、外気が設定温湿度に調整されるときの状態変化を説明する。図９の例は、外気（空調機に取り込まれた空気、または初期状態の空気）が、設定温湿度に比べて、温度、湿度ともに低い場合に該当する。具体的には、冬季における空調の例である。まず加熱器２０により、空気の温度が点Ａまで上げられる。次に、第１の加湿器３０により、空気の温湿度が点Ｂに変えられる。最後に、第２の加湿器４０により、空気温湿度が設定温湿度に微調整される。このように、空調前の空気の温湿度と、設定温湿度に基づいて、空調機の動作を決める制御量が調節される。
【００３９】
[効果の確認]
図１０は、本実施形態にかかる第１の加湿器３０のモデルを用いたＦＦ制御の効果を示すグラフである。ＦＦ制御によれば、設定温度に到達する時間は約５分であるのに対して、ＦＢ制御では、設定温度に達するのに約１５分を要する。このように、ＦＦ制御を用いることにより、設定温度に到達するまでの時間（不稼働時間）を従来に比べて大幅に短縮することができた。不稼働時間の短縮により、無駄なエネルギーの消費を抑制することができ、ひいては、ＣＯ２排出量の軽減に寄与することが可能となる。
【００４０】
[実施形態２]
図１１は、実施形態２にかかる第１の加湿器３０の構成を示す図である。この場合、第１の加湿器３０は、複数の部分に分割され、それぞれ部分のバルブ開度が制御可能である。分割された各部分のバルブ開度は、第１の加湿制御部８０によって制御される。第１の加湿器３０の前段の空気温度に分布がある場合を考える。実際のケースとしては、第１の加湿器３０の前段にある加熱器２０の温度分布が一様でない場合が挙げられる。この場合には、第１の加湿器３０を単一のモデルで表わそうとすると、加湿される空気温度のバラツキが考慮されないため、加湿前後の温度変化量を正しく見積もることができない場合がある。
【００４１】
そこで、第１の加湿器３０の部分（制御入力（たとえば、加湿器への水供給量調整バルブの開度など）の区切り）ごとに、異なるモデル式を構築する。
【００４２】
これにより、制御入力や第１の加湿器３０前段の温湿度分布に起因する、単一モデルでは表しきれない温度変化量のばらつき、第１の加湿器３０による加湿を個々のモデルで吸収でき、ばらつきに影響されない精度の良いモデルとして表現できる。
【００４３】
以上、本発明を実施の形態に沿って説明したが、本発明の変形例として、断熱変化を伴なう加湿器が複数段ある場合にも、上記手法の組み合わせにより実施できることはもちろんである。
【００４４】
なお、本実施形態において、パラメータｄに基づいて温度変化量を算出する方法を開示したが、この算出方法を加湿器による加湿前後の湿度変化量の算出に応用することが可能であることは言うまでもない。
【００４５】
【発明の効果】
上記説明から明らかなように、本発明によれば加湿器についての簡潔なモデルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加湿器のバルブ開度と温度変化との関係を示すグラフである。
【図２】加湿前温湿度と、加湿後の温度変化量との関係を示すグラフである。
【図３】パラメータｄを空気線図上で表したグラフである。
【図４】本実施形態が実施される空調システムの概略を示す図である。
【図５】加熱器２０、第１の加湿器３０、および第２の加湿器４０の具体例を示す図である。
【図６】空調制御装置５０の概略を示すブロック図である。
【図７】第１の加湿器３０の温度変化モデルを算出するフローチャートである。
【図８】算出されたパラメータｄとそれに対応する温度変化量ΔＴの実測値をプロットしたグラフである
【図９】外気が設定温湿度に調整されるときの状態変化を表わす空気線図である。
【図１０】実施形態１にかかる第１の加湿器３０のモデルを用いたＦＦ制御の効果を示すグラフである。
【図１１】実施形態２にかかる第１の加湿器３０の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０空調機、２０加熱器、３０第１の加湿器、４０第２の加湿器、５０空調制御装置、６０ＦＦ制御部、７０加熱制御部、８０第１の加湿制御部、９０第２の加湿制御部、１００ＦＢ制御部、１１０温湿度設定部、２００ブース、２１０温湿度センサ。

Claims

加湿器による温度変化量を算出する方法であって、
空気線上における飽和蒸気線の任意の点と、加湿を始める前の点との距離を算出する距離算出ステップと、
距離算出ステップによって算出された距離に基づいて、加湿前後の温度変化量を算出する温度変化量算出ステップと、
を備えることを特徴とする加湿器による温度変化量算出方法。
前記距離算出ステップは、加湿を始める前の点を含む等エンタルピ線と飽和蒸気線との交点から、加湿を始める前の点までの距離を算出することを特徴とする請求項１に記載の加湿器による温度変化量算出方法。
前記温度変化量算出ステップは、距離算出ステップによって算出された距離を変数とする関数によって温度変化量を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の加湿器による温度変化量算出方法。
加熱器と加湿器とを含む空調機をフィードフォワード制御する方法であって、
空気線上における飽和蒸気線の任意の点と、加湿を始める前の点との距離に基づいて算出された温度変化量に基づいて、加熱器による加熱量を制御することを特徴とする空調機のフィードフォワード制御方法。
分割された領域ごとに加湿量が制御される加湿器による温度変化量を算出する方法であって、
分割領域ごとに、空気線上における飽和蒸気線の任意の点と、分割領域における加湿を始める前の点との距離を算出するステップと、
分割領域ごとに、算出された距離に基づいて、加湿前後の温度変化量を算出する温度変化量算出ステップと、
を備えることを特徴とする加湿器による温度変化量算出方法。