JP5400102B2 - 暖房機の制御方法、及び、暖房機 - Google Patents
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Description
(A)運転指令がON・OFF(着火或いは消火)の二値制御となる。
(C)十分な定常燃焼時間の確保を目的として、着火後は一定時間消火が不可能となるなどの運転制約が設けられている(消火から再点火に至る操作にも、この運転制約が存在する)。
上記(B)の特徴である時定数が大きい点は、木質ペレットを燃焼させる暖房機が、燃焼開始信号を入力してから定格熱出力に到達するまで、及び、燃焼停止信号を入力してから熱出力がゼロになるまでの時間が長いことによるものである(例えば数分。制御対象の時定数に比べて無視できない時間。)。
(1)与えられた目標温度に対し、ON点温度及びOFF点温度の設定基準が不明確である。
(3)暖房機の運転制約の影響が考慮されていない。
(4)外気温の情報が考慮されていない。
また、上記暖房機の制御方法において、上記ステップごとに又は複数の上記ステップごとに上記複数の運転パターンについて上記温度変化を予測し、上記最適運転パターンのうち上記温度変化の予測間隔分に基づいて上記ON・OFF制御を行うとよい。
また、上記暖房機の制御方法において、使用頻度に応じて限定された複数の運転パターンについて上記温室の温度変化を予測するとよい。
また、上記暖房機の制御方法において、予測された上記温度変化の誤差と予め定められた燃費の重みとを含む評価関数に基づいて、上記温室の温度が目標温度に近づくように且つ燃費の悪化を抑えるように、上記複数の運転パターンの中から上記最適運転パターンを選択するようにしてもよい。
<一実施の形態>
図1は、本発明の一実施の形態に係る暖房機10を含む暖房システム1を示す概略構成図である。
なお、温室温度センサ91は、便宜上図1の天井付近に二点鎖線で図示したが、例えば温室中央に配置して、計測温度が温室全体の温度の集中定数系として近似できるようにするとよい。また、外気温度センサ92も、便宜上図1の温室100の上方に二点鎖線で図示したが、例えば、平均的な外気温を検出できる位置に配置されればよい。
図2において、予測区間となるステップ数をP、後述する制約条件をC、目標温度をTref、誤差及び入力の重みをQ,R,制御回数をN、規定の繰り返し回数をDとする。なお、予測区間は、温室の物理モデルに基づいて温室の温度変化の予測をする直近の区間であり、例えば12ステップ(1ステップ20秒)などと予め定められる。予測区間の長さは適宜決定されればよいが、運転を行う全ての区間ではなく、その一部とすることで制御の複雑化を抑えることができる。
そして、上記入力列の中から運転制約条件Cを満たす入力列を選定する(工程S2)。
図1に示す暖房システム1に運転命令が印加されると、屋内サイロ40から暖房機10の燃焼炉12に一定量の木質ペレット201が供給される。次いで、木質ペレット201に灯油タンク70から少量の灯油が散布されて点火用灯油バーナ20により着火が行われる。
〔温室モデルの構築〕
温室の熱平衡モデルは、空間分布を考慮しない集中定数系として近似し、下記の数式1に従うものとする。
次に、温室モデル予測制御について説明する。ここでは、温室温度制御のシミュレーションを行った結果を述べる。シミュレーションは、(1)制御対象の温室とモデル予測制御系の予測器が一致している場合、及び、(2)α,β,γをシミュレーション中に強制的に変化させた場合について考察する。ただし、いずれも目標温度周り±1℃の範囲での制御を目的とした例である。シミュレーションを行う際の予測器は、上述の公称値モデルを採用する。
まず、制御対象である温室と予測器のパラメータが一致している理想的な場合についてシミュレーションを行う。ただし、このシミュレーションでは、予測区間Pを12ステップ、運転制約条件CはON→OFF及びOFF→ONともに5ステップ、1ステップを20秒として計算を行った。4通りの異なる外気温条件におけるシミュレーション結果を図6〜図9に示す。ここで、使用するこれら4通りの外気温は、20通りの温室データの中から夜間の外気温の変動幅が最も小さい場合、外気温の変動幅が最も大きい場合、外気温の平均値が最も高い場合、外気温の平均値が最も低い場合を選んだ。
実際の温室温度制御では、温室のシステムのパラメータは降雨や風等により、放熱係数が大きく変動する。このような状況を踏まえて、パラメータをシミュレーション中に強制的に変化させた場合について制御性を確認する。このパラメータ変化は実際の現象を考慮し、図10及び図11に示すように斜線部分の400Stepから600Stepにかけて徐々に(0.1%ずつ)変化を与えることで、設定したパラメータの値に近づけている。また、外気温は平均的な日のデータを用いている。このような変動のもとでも温度制御が高精度に行われるのであれば、実用性はさらに高くなる。
次に、最適解の分布について説明する。上述の例では、予測区間Pにおける2P個の運転パターンの中から暖房機の運転制約条件Cを満たすものだけを抽出するステップを踏んでいる。
演算量の低減化を定量的に示すためシミュレーションの演算時間を計測し、さらに最適解の分布対策の有無による制御性についても確認する。このとき分布対策とは、入力パターンに偏りがある場合に、予測出力の計算範囲を偏りのある範囲に限定し演算量の低減化を図るものである。ただし、外気温は平均的な変化を示す日のものを用いている。
また、本実施の形態では、ステップごとに又は複数ステップごとに複数の運転パターンについて温度変化を予測し、予測間隔分に基づいてON・OFF制御を行うことで、ON・OFF制御を非常に高精度に行うことができる。
また、本実施の形態では、全運転パターンのうち使用頻度に応じて限定された複数の運転パターンについて温室100の温度変化を予測することで、制御の複雑化を抑えることができる。
ところで、わが国の植物栽培用の温室の栽培面積は、5万haに及んでおり、その内44%に相当する2万2千haで暖房機が使用されている。したがって、本実施の形態の暖房機の制御方法及び暖房機をそれらに適用することが可能である。
本実施の形態では、モデル予測制御の概念による温室の温度予測を基にした最適制御手法の有効性について、実際の温室における実験により確認を行った。今回の試験結果より、モデル予測制御アルゴリズムの導入により、実際の暖房機に対してもON・OFF信号の切換えに対する制約の影響を考慮しながら、目標温度周りでの最大誤差をp-p値で1.2℃以下に制御可能であることが確認された。
試験(1)は、2011年4月27日22:05〜23:45(強風)に行った。
試験(2)は、2011年4月28日 3:50〜 5:30(雨・強風)に行った。
図19には、上述の温度制御結果(1)と(制御結果のグラフは図18と同一である。)、従来の運転アルゴリズム(比較例2)で暖房機の運転を行った場合についてシミュレーションを行った結果(Conventional method)と、を合わせて示している。
この場合には、温度制御性能はさらに低下し、図22に示すように、最大誤差が3.75℃、p-p値が7.16℃、平均誤差が2.05℃、目標温度が上記のとおり25℃である。比較例2では、比較例1よりも閾値の絶対値が大きくなっているため、p-p値などが比較例1の値よりも大きくなっている。
温度制御結果(2)は、提案手法に燃費も考慮するアルゴリズムを追加した場合の温度制御実験の結果である。具体的には、下記の数式19で示されるkステップ目の評価関数J(k)、誤差(e)の二乗和と暖房機のON回数の総和に重みζを掛けたものとを加えて予測区間長(12ステップ)に亘って考慮したもので構成されている。これを最小化するような制御入力を毎ステップごとに選ぶことを目的とする。これにより、複数の運転パターンの中から最適運転パターンを選択する際に、温室の温度が目標温度に近づくように且つ燃費の悪化を抑えるように選択を行うことができる。
この結果は、燃費項(燃費の重み)を考慮したことの効果と考えられる。従って、温度制御性能を許容する範囲内で緩めることにより、温度誤差および燃費との最適化を図れることが明らかとなった。
10 暖房機
11 制御部
12 燃焼炉
13 温風吹出し口
20 点火用灯油バーナ
30 押し込みファン
40 屋内サイロ
50 サイクロン集塵機
60 煙突
70 灯油タンク
80 屋外貯留サイロ
91 温室温度センサ
92 外気温度センサ
100 温室
201 木質ペレット
202 排気ガス
203 燃焼灰
204 誘引ファン
Claims (6)
- 温室に配置される暖房機のON・OFF制御を行う暖房機の制御方法において、
制御タイミングとなる各ステップでのON又はOFFの組み合わせである予め定められた直近の予測区間の複数の運転パターンのうち前記暖房機の制約条件を満たす複数の運転パターンについて、前記温室の物理モデルに基づいて前記温室の温度変化を予測し、
予測された前記温度変化に基づいて、前記温室の温度が目標温度に近づくように、前記複数の運転パターンの中から最適運転パターンを選択し、
前記最適運転パターンに基づいて前記暖房機の前記ON・OFF制御を行う、
ことを特徴とする暖房機の制御方法。 - 前記選択された最適運転パターンである前記予測区間のON又はOFFの組み合わせのうち、前記温度変化の予測を行う間隔である予測間隔分の直近の一部のON・OFF又はその組み合わせに基づいて、前記ON・OFF制御を行うことを特徴とする請求項1記載の暖房機の制御方法。
- 使用頻度に応じて限定された複数の運転パターンについて前記温室の温度変化を予測することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の暖房機の制御方法。
- 前記暖房機は、木質燃料を燃焼させることで前記温室を暖房することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項記載の暖房機の制御方法。
- 予測された前記温度変化の誤差と予め定められた燃費の重みとを含む評価関数に基づいて、前記温室の温度が目標温度に近づくように且つ燃費の悪化を抑えるように、前記複数の運転パターンの中から前記最適運転パターンを選択することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項記載の暖房機の制御方法。
- 温室に配置され、制御部によりON・OFF制御される暖房機において、
前記制御部は、制御タイミングとなる各ステップでのON又はOFFの組み合わせである予め定められた直近の予測区間の複数の運転パターンのうち前記暖房機の制約条件を満たす複数の運転パターンについて、前記温室の物理モデルに基づいて前記温室の温度変化を予測し、予測された前記温度変化に基づいて、前記温室の温度が目標温度に近づくように、前記複数の運転パターンの中から最適運転パターンを選択し、前記最適運転パターンに基づいて前記暖房機の前記ON・OFF制御を行う、
ことを特徴とする暖房機。
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