JP5525432B2 - 有害物質制御装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、衛生的であることが要求される食品工場や医薬品工場あるいは病院などにおいて、室内に存在する細菌などの微生物を低減させる空調システムや、化学的汚染を抑制すべき研究室などにおいて、室内に漏洩する揮発性有機化合物などの有害物質を低減させる空調システムに係り、特に有害物質の数量をリアルタイムに計測して制御する有害物質制御装置および方法に関するものである。

食品工場や医薬品工場あるいは病院などの衛生的な施設では、浮遊菌および付着菌が人や物の出入りに伴って室内に侵入する可能性があり、侵入した浮遊菌および付着菌が室内の壁面や装置等に付着して増殖することにより、室内が汚染されるという問題があった。室内の汚染があると、製品の品質悪化につながり、また食品の場合には食中毒の原因となり問題である。

従来、この問題の対策として、循環空気および外気を空気浄化フィルタで濾過してから室内に吹き込む方法が多く採用されている（図７）。図７に示す空調システムは、部屋１００から戻る空気（環気）と外気との混合気を冷却または加熱する空調機１０１と、外気の取り入れ口１０２と、部屋１００に設けられた環気・排気吸込口１０３と、室内の空気を排出するための排気ファン１０４と、排気口１０５と、空調機１０１に戻す環気の量を調節するダンパ１０６と、空調機１０１によって冷却または加熱された空気（給気）の量を調節するダンパ１０７＿１，１０７＿２と、部屋１００に設けられた給気吹出口１０８＿１，１０８＿２と、給気吹出口１０８＿１，１０８＿２に設置された空気浄化フィルタ１０９＿１，１０９＿２と、ダンパ１０７＿１，１０７＿２の開度を制御する風量可変空調（ＶＡＶ）コントローラ１１０とから構成される。

また、別の方法として、室内の空気を循環させる循環ダクトと室内に給気を供給する給気ダクトの各々に微生物低減手段として紫外線照射装置と抗菌剤噴霧装置とを設け、紫外線照射装置によって空気中の菌を殺菌すると共に、室内に抗菌剤を散布して抗菌雰囲気に保持するようにした空調システムが提案されている（特許文献１参照）。

また、化学的汚染を抑制するべき研究室などの施設では、有害物質が混入した空気の封じ込めを行なうために、ヒュームフード（ドラフトチャンバー）が採用されている。これにより、実験室の外に汚染された空気が逆流することを抑制する。このようなヒュームフードを使用するシステムでは、ヒュームフードのサッシの開度に応じて排気バルブを調節して排気風量を変化させて、省エネルギーを図っている。あるいは、ヒュームフードに人検知センサを設置し、ヒュームフードの前に作業者がいるときには排気バルブを調節して排気風量を増やし、作業者がいないときには安全な待機レベルまで排気風量を低下させるようにして、省エネルギーを図っている（特許文献２参照）。

特開２００５−１０６２９６号公報 特開２０１０−１２１８６５号公報

上記の技術は、いずれも排除すべき微生物や揮発性有機化合物（Volatile Organic Compounas：ＶＯＣ）の量に対して予め必要な換気風量や排気風量が設定されており、特にＶＯＣについては、扱う薬品や作業状況によってＶＯＣの発生量などが想定されている。すなわち、リアルタイムに微生物やＶＯＣの量を検出して、緻密に風量を制御するというコンセプトではないので、安全のためには省エネルギー余裕を多くせざるを得ない。

一方で、リアルタイム性の高い微生物数計測装置や、リアルタイム性の高いＶＯＣ計測装置などが、実用化されてきている。微生物数計測装置としては、米国バイオビジラントシステムズ（BioVigilant Systems）社が開発したリアルタイム細菌ディテクタ（長谷川倫男他，「気中微生物リアルタイム検出技術とその応用」，株式会社山武，azbil Technical Review ２００９年１２月号，ｐ．２−７，２００９年）がある。また、ＶＯＣ計測装置としては、デジタルＶＯＣ測定器（株式会社シロ産業，http://www.webshiro.com/syouhinsetumei/M176VC-1000.htm）がある。

これらの計測装置を用いるならば、微生物の量やＶＯＣの量のリアルタイム計測値を制御量ＰＶとし、微生物の量やＶＯＣの量の安全な基準値を設定値ＳＰとし、風量（あるいは風量を決定するバルブ開度やファン回転数）を操作量ＭＶとするフィードバック制御系を構成することが可能になる。この場合、最も容易な実現方法としては、ＰＩＤ制御を採用することが考えられる。

しかし、ＰＩＤ制御は簡易な制御方法として広く普及しているが、ＰＩＤパラメータの調整などに、ある程度の専門的な知識が要求される。微生物やＶＯＣの増減の条件は、換気設備・排気設備と計測装置の位置関係を含め、施設の運用条件に依存して変化するので、個々のＰＩＤ制御ループ毎に最終調整する必要がある。全ての最終調整に制御の専門家が立ち会うことは不可能なので、安全性が重視される空調システムを利用するユーザにとっての利便性が要求される。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、微生物やＶＯＣのような空気に混入する有害物質を対象とし、リアルタイム性の高い計測装置を利用して、ＰＩＤ制御による風量制御を用いて有害物質の量を安全な範囲に抑制する場合において、設定値の変更時に本来あるべき適切な制御動作をユーザに意識させることなく実現することができ、ユーザにとっての利便性を向上させることができる有害物質制御装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の有害物質制御装置は、被制御空間の有害物質の数量を制御量ＰＶの値として計測する有害物質計測手段と、被制御空間における有害物質の数量の目標値を表す設定値ＳＰの変更時に、有害物質が増加する側への設定値変更の場合には微分先行型あるいは比例微分先行型のＰＩＤ演算により設定値ＳＰと制御量ＰＶとから操作量ＭＶを算出し、有害物質が減少する側への設定値変更の場合には通常型のＰＩＤ演算により設定値ＳＰと制御量ＰＶとから操作量ＭＶを算出するＰＩＤ制御手段と、操作量ＭＶに応じて被制御空間から排出する空気の風量あるいは被制御空間へ供給する空気の風量を変化させて被制御空間における有害物質の数量を調節する有害物質低減装置に対して、前記ＰＩＤ制御手段が算出した操作量ＭＶを出力する操作量出力手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の有害物質制御装置の１構成例において、前記ＰＩＤ制御手段は、設定値ＳＰの変更時に設定値ＳＰが下降する場合にのみ、設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを算出する変化量処理手段と、設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを比例動作と微分動作に反映させてＰＩＤ演算を行ない、操作量ＭＶを算出するＰＩＤ演算手段とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の有害物質制御装置の１構成例において、前記ＰＩＤ制御手段は、設定値ＳＰの変更時に設定値ＳＰが下降する場合にのみ、設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを算出する変化量処理手段と、設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを微分動作に反映させてＰＩＤ演算を行ない、操作量ＭＶを算出するＰＩＤ演算手段とから構成されることを特徴とするものである。

また、本発明の有害物質制御装置の１構成例は、さらに、設定値ＳＰを決定する目安となる所定の有害物質の数量を規定値ＶＳとしたとき、予め規定された過去の特定期間内における制御履歴の中で、制御量ＰＶが最も上昇したときの前記規定値ＶＳと制御量ＰＶとの差である余裕度に応じて設定値ＳＰを更新する設定値更新手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の有害物質制御装置の１構成例において、前記有害物質計測手段は、微生物数計測装置である。
また、本発明の有害物質制御装置の１構成例において、前記有害物質計測手段は、揮発性有機化合物計測装置である。

また、本発明の有害物質制御方法は、有害物質計測手段により被制御空間の有害物質の数量を制御量ＰＶの値として計測する有害物質計測ステップと、被制御空間における有害物質の数量の目標値を表す設定値ＳＰの変更時に、有害物質が増加する側への設定値変更の場合には微分先行型あるいは比例微分先行型のＰＩＤ演算により設定値ＳＰと制御量ＰＶとから操作量ＭＶを算出し、有害物質が減少する側への設定値変更の場合には通常型のＰＩＤ演算により設定値ＳＰと制御量ＰＶとから操作量ＭＶを算出するＰＩＤ制御ステップと、操作量ＭＶに応じて被制御空間から排出する空気の風量あるいは被制御空間へ供給する空気の風量を変化させて被制御空間における有害物質の数量を調節する有害物質低減装置に対して、前記ＰＩＤ制御ステップで算出した操作量ＭＶを出力する操作量出力ステップとを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、被制御空間における有害物質の数量の目標値を表す設定値ＳＰの変更時に、有害物質が増加する側への設定値変更の場合には微分先行型あるいは比例微分先行型のＰＩＤ演算により操作量ＭＶを算出し、有害物質が減少する側への設定値変更の場合には通常型のＰＩＤ演算により操作量ＭＶを算出することにより、有害物質が増加する側（省エネルギー優先側）への設定値変更の場合には風量が緩やかに減少するような慎重な制御動作になり、有害物質が減少する側（安全優先側）への設定値変更の場合には風量が急峻に増加するような迅速な制御動作になる。その結果、本発明では、設定値ＳＰの変更時に本来あるべき適切な制御動作を、空調システムのユーザに意識させることなく実現することができ、ユーザにとっての利便性を向上させることができる。

また、本発明では、予め規定された過去の特定期間内における制御履歴の中で、制御量ＰＶが最も上昇したときの規定値ＶＳと制御量ＰＶとの差である余裕度に応じて設定値ＳＰを更新することにより、安全なＰＩＤ制御動作を行いながら、設定値ＳＰの自動更新を行うことができ、安全かつ省エネルギーを考慮した適切な設定値ＳＰを設定することができる。また、本発明では、設定値ＳＰの自動更新が要因になって有害物質の量が最も上昇するというような現象を抑制することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る有害物質制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る有害物質制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態に係る有害物質制御装置の制御動作の例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る有害物質制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る有害物質制御装置における規定値入力部および設定値更新部の動作を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係る有害物質制御装置の設定値更新動作の例を示す図である。 従来の空調システムの構成を示すブロック図である。

［発明の原理１］
ＰＩＤ制御の方式には、通常型（ＰＩＤ制御）、微分先行型（ＰＩ−Ｄ制御）、比例微分先行型（Ｉ−ＰＤ制御）などがある。制御技術ベンダーは、各社の事業が対象とする市場のニーズを考慮して、適宜一定の方式を選択し、汎用ＰＩＤ制御装置の製品を市場投入している。一方、ユーザ側はＰＩＤ制御の種類によって制御動作の留意点があることを認識していないので、例えばユーザ自身が慣れているＰＩＤパラメータ調整を行なったときであっても、意図せぬ動作になることがある。意図せぬ動作が結果的に適切な方向へ転じればよいが、逆の場合は問題が生じることもあり得る。

ここで、微生物数やＶＯＣ量を計測しながら風量制御を行なう場合にＰＩＤ制御を適用すると、設定値ＳＰの変更時に本来あるべき適切な制御動作が、ＰＩＤ制御の種類によって適合するか否かが異なる。したがって、ユーザが極力これを意識せずに済むべきであることに着眼した。

そして、慎重な制御動作が要求される側への設定値ＳＰ変更時には微分先行型（ＰＩ−Ｄ制御）あるいは比例微分先行型（Ｉ−ＰＤ制御）になり、緊急的な制御動作が要求される側へのＳＰ変更時には通常型（ＰＩＤ制御）になるように、ＰＩＤ制御ロジック自体が構成されていればよいことに想到した。

［発明の原理２］
上記発明の原理１のようにＰＩＤ制御系を構成した場合であっても、安全かつ省エネルギー余裕を抑えた設定値ＳＰを適切に設定できていることが重要な要素になる。換気設備・排気設備の浄化能力を予め調査し、適度な設定値ＳＰを規定しておく方法もあるが、リアルタイム性の高い計測装置を利用するのであれば、制御実績に基づき適度な設定値ＳＰを自動で推定することが可能であり現実的であることに着眼した。

そして、過去の適当な期間の制御履歴の中で、最も有害物質の量が上昇したときの余裕度（法令などによる安全値を参考に適宜設計し与えられる規定値に対する下回り具合）に応じて、設定値ＳＰを自動決定することに想到した。この場合、自動的に設定値ＳＰが適宜変更されることになるので、上記発明の原理１のＰＩＤ制御ロジックの構成は特に好適である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る有害物質制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、上記発明の原理１に対応するものである。有害物質制御装置は、被制御空間の有害物質の数量をリアルタイムに計測する有害物質計測部１と、被制御空間における有害物質の数量の目標値を表す設定値ＳＰを取得する設定値入力部２と、有害物質計測部１で計測される数量を制御量ＰＶの値として取得する制御量入力部３と、設定値ＳＰの変更時に設定値ＳＰが下降する場合にのみ、設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを算出する変化量処理部４と、設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを比例動作と微分動作に反映させてＰＩＤ演算を行ない、操作量ＭＶを算出するＰＩＤ演算部５と、操作量ＭＶ（風量指示値）を有害物質低減装置に出力する操作量出力部７とから構成される。変化量処理部４とＰＩＤ演算部５とは、ＰＩＤ制御部６を構成している。

図２は本実施の形態の有害物質制御装置の動作を示すフローチャートである。有害物質計測部１は、被制御空間における例えばトルエンなどのＶＯＣの数量（単位［μｇ／ｍ³］）を計測する（図２ステップＳ１００）。有害物質計測部１は、有害物質の計測に適した位置に設置されている必要がある。
設定値ＳＰは、法令などの安全基準に則ってユーザが設定した、被制御空間におけるＶＯＣの数量（単位［μｇ／ｍ³］）の目標値を表している。この設定値ＳＰは、設定値入力部２を介して変化量処理部４とＰＩＤ演算部５に入力される（ステップＳ１０１）。

有害物質計測部１で計測されたＶＯＣの数量（単位［μｇ／ｍ³］）は、制御量ＰＶとして制御量入力部３を介してＰＩＤ演算部５に入力される（ステップＳ１０２）。
変化量処理部４は、設定値ＳＰの変更時に設定値ＳＰが下降する場合にのみ、設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを算出してＰＩＤ演算部５に送る（ステップＳ１０３）。具体的には、変化量処理部４は、式（１）により設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを算出してＰＩＤ演算部５に出力する。
ΔＳＰ_0＝ＳＰ_0−ＳＰ_1 ・・・（１）

ΔＳＰ_0は最新の制御周期において算出された設定値ＳＰの変化量、ＳＰ_0は最新の制御周期において入力された設定値ＳＰ、ＳＰ_1は最新よりも１制御周期前の制御周期において入力された設定値ＳＰである。ただし、変化量処理部４は、式（１）により算出した設定値ＳＰの変化量ΔＳＰ_0が正の値の場合には、変化量ΔＳＰ_0を０に変換した上でＰＩＤ演算部５に出力する。すなわち、変化量処理部４は、式（２）で表される処理を行う。この処理の結果、設定値ＳＰが１制御周期前の値に比べて下降する場合にのみ、設定値ＳＰの変化量をＰＩＤ演算部５に送ることになる。
ＩＦ ΔＳＰ_0＞０．０ ＴＨＥＮ ΔＳＰ_0＝０．０ ・・・（２）

次に、ＰＩＤ演算部５は、設定値ＳＰと制御量ＰＶと設定値ＳＰの変化量ΔＳＰとから操作量ＭＶを算出する（ステップＳ１０４）。本実施の形態では、操作量ＭＶの変化分ΔＭＶを算出する速度型のＰＩＤ演算を採用する。また、本実施の形態では、有害物質低減装置として、被制御空間からの排出風量を操作量ＭＶに応じて変化させることにより被制御空間における有害物質の数量を調節するヒュームフードを想定しており、ヒュームフードにおいては操作量ＭＶが増加すると排気風量が増加し、ＶＯＣが減少するという増減関係になるので、いわゆる正動作を採用する。ＰＩＤ演算部５が操作量ＭＶの変化分ΔＭＶを算出するＰＩＤ演算式は以下のようになる。
ΔＭＶ＝Ｋｐ［（ＰＶ_0−ＰＶ_1−ΔＳＰ_0）＋（ＰＶ_0−ＳＰ_0）ｄｔ／Ｔｉ
＋｛（ＰＶ_0−ＰＶ_1）−（ＰＶ_1−ＰＶ_2）
−（ΔＳＰ_0−ΔＳＰ_1）｝Ｔｄ／ｄｔ］ ・・・（３）

ΔＳＰ_1は最新よりも１制御周期前の制御周期において算出された設定値ＳＰの変化量、ＰＶ_0は最新の制御周期において入力された制御量ＰＶ、ＰＶ_1は最新よりも１制御周期前の制御周期において入力された制御量ＰＶ、ＰＶ_2は最新よりも２制御周期前の制御周期において入力された制御量ＰＶ、ΔＭＶは最新の制御周期において算出された操作量ＭＶの変化分、Ｋｐは所定の比例ゲイン、Ｔｉは所定の積分時間、Ｔｄは所定の微分時間、ｄｔは制御周期である。
そして、ＰＩＤ演算部５は、算出した変化分ΔＭＶから操作量ＭＶを次式により算出する。
ＭＶ_0＝ＭＶ_1＋ΔＭＶ ・・・（４）

ＭＶ_0は最新の制御周期において算出された操作量ＭＶ、ＭＶ_1は最新よりも１制御周期前の制御周期において算出された操作量ＭＶである。以上で、ＰＩＤ演算部５の処理が終了する。

式（３）の第１項（ＰＶ_0−ＰＶ_1−ΔＳＰ_0）は制御が比例動作になることを示しており、設定値ＳＰが１制御周期前の値に対して上昇する場合はΔＳＰ_0＝０．０の比例先行型になる。また、式（３）の第３項｛（ＰＶ_0−ＰＶ_1）−（ＰＶ_1−ＰＶ_2）−（ΔＳＰ_0−ΔＳＰ_1）｝Ｔｄ／ｄｔは制御が微分動作になることを示しており、設定値ＳＰが上昇する場合はΔＳＰ_0−ΔＳＰ_1＝０．０の微分先行型になる。すなわち、設定値ＳＰが１制御周期前の値に対して上昇する場合、式（３）によって行われる全体の制御動作は比例微分先行型（Ｉ−ＰＤ制御）になる。

上記のとおり、式（３）の第１項（ＰＶ_0−ＰＶ_1−ΔＳＰ_0）は制御が比例動作になることを示しており、設定値ＳＰが１制御周期前の値に対して下降する場合はΔＳＰ_0が加味される通常型になる。また、式（３）の第３項｛（ＰＶ_0−ＰＶ_1）−（ＰＶ_1−ＰＶ_2）−（ΔＳＰ_0−ΔＳＰ_1）｝Ｔｄ／ｄｔは制御が微分動作になることを示しており、設定値ＳＰが下降する場合はΔＳＰ_0−ΔＳＰ_1が加味される通常型になる。すなわち、設定値ＳＰが１制御周期前の値に対して下降する場合、式（３）によって行われる全体の制御動作は通常型（ＰＩＤ制御）になる。

操作量出力部７は、ＰＩＤ演算部５が算出した操作量ＭＶを図示しない有害物質低減装置に出力する（ステップＳ１０５）。本実施の形態では、有害物質低減装置としてヒュームフードを想定している。ヒュームフードは、操作量ＭＶが上昇すると排気風量を増加させるので、ヒュームフードが設置された研究室等の被制御空間におけるＶＯＣ等の有害物質の量が減少する。操作量ＭＶが下降するとヒュームフードの排気風量が減少することは言うまでもない。

以上のようなステップＳ１０１〜Ｓ１０５の処理をオペレータ等の指令によって有害物質制御装置が停止するまで（ステップＳ１０６においてＹＥＳ）、制御周期ｄｔ毎に繰り返す。

図３に本実施の形態の典型的な制御動作の例を示す。図３から明らかなように、省エネルギーを優先して設定値ＳＰを上げると風量が低下するが、この際には設定値ＳＰの変更をＰＩＤ演算に反映させることなく、風量が緩やかに減少するように動作する。すなわち、風量を減少させるという危険側への動作は、慎重な制御動作になる。
一方、安全を優先して設定値ＳＰを下げると風量が上昇するが、この際には設定値ＳＰの変更をＰＩＤ演算に反映させるので、風量は急峻に増加する。すなわち、風量を増加させるという緊急性が要求され得る動作は、迅速な制御動作になる。

以上のように、本実施の形態では、省エネルギー優先側への設定値変更の場合には慎重な制御動作になり、安全優先側への設定値変更の場合には迅速な制御動作になる。その結果、本実施の形態では、設定値ＳＰの変更時に本来あるべき適切な制御動作を、空調システムのユーザに意識させることなく実現することができ、ユーザにとっての利便性を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、上記発明の原理１に対応する別の実施の形態である。本実施の形態においても、有害物質制御装置の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。本実施の形態の有害物質制御装置は、有害物質計測部１と、設定値入力部２と、制御量入力部３と、変化量処理部４と、設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを微分動作に反映させてＰＩＤ演算を行ない、操作量ＭＶを算出するＰＩＤ演算部５と、操作量出力部７とから構成される。

有害物質制御装置の処理の流れは第１の実施の形態と同様であるので、図２を用いて本実施の形態の有害物質制御装置の動作を説明する。
有害物質計測部１は、被制御空間における例えば細菌などの微生物の数量（単位［個／ｍ³］）を計測する（図２ステップＳ１００）。
設定値ＳＰは、法令などの安全基準に則ってユーザが設定した、被制御空間における微生物の数量（単位［個／ｍ³］）の目標値を表している。この設定値ＳＰは、設定値入力部２を介して変化量処理部４とＰＩＤ演算部５に入力される（ステップＳ１０１）。

有害物質計測部１で計測された微生物の数量（単位［個／ｍ³］）は、制御量ＰＶとして制御量入力部３を介してＰＩＤ演算部５に入力される（ステップＳ１０２）。
変化量処理部４は、設定値ＳＰの変更時に設定値ＳＰが下降する場合にのみ、設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを算出してＰＩＤ演算部５に送る（ステップＳ１０３）。この変化量処理部４の動作は第１の実施の形態で説明したとおりである。

次に、ＰＩＤ演算部５は、設定値ＳＰと制御量ＰＶと設定値ＳＰの変化量ΔＳＰとから操作量ＭＶを算出する（ステップＳ１０４）。本実施の形態では、操作量ＭＶを直接算出する位置型のＰＩＤ演算を採用する。また、本実施の形態では、有害物質低減装置として、被制御空間の換気風量を操作量ＭＶに応じて変化させることにより被制御空間における有害物質の数量を調節する換気装置を想定しており、換気装置においては操作量ＭＶが増加すると換気風量が増加し、微生物が減少するという増減関係になるので、いわゆる正動作を採用する。ＰＩＤ演算部５が操作量ＭＶを算出するＰＩＤ演算式は以下のようになる。
ＭＶ_0＝Ｋｐ［（ＰＶ_0−ＳＰ_0）＋Σ（ＰＶ_j−ＳＰ_j）ｄｔ／Ｔｉ
＋（ＰＶ_0−ＰＶ_1−ΔＳＰ_0）Ｔｄ／ｄｔ］ ・・・（５）

ＰＶ_0は最新の制御周期において入力された制御量ＰＶ、ＰＶ_1は最新よりも１制御周期前の制御周期において入力された制御量ＰＶ、ＰＶ_jは最新よりもｊ制御周期前の制御周期において入力された制御量ＰＶ、ＳＰ_jは最新よりもｊ制御周期前の制御周期において入力された設定値ＳＰ、ＭＶ_0は最新の制御周期において算出された操作量ＭＶ、Ｋｐは比例ゲイン、Ｔｉは積分時間、Ｔｄは微分時間、ｄｔは制御周期である。

式（５）の第２項Σ（ＰＶ_j−ＳＰ_j）ｄｔ／Ｔｉは制御が積分動作になることを示しており、過去の偏差（ＰＶ_j−ＳＰ_j）の累積に基づく演算になることを示している。偏差の累積Σ（ＰＶ_j−ＳＰ_j）は、理論上は制御開始からの全ての累積として定義され、累積値として逐次更新するように演算すればよいが、実用的には１制御周期前（ｊ＝１）から、積分時間Ｔｉの４〜５倍程度の過去の時間に相当するＮ制御周期前（ｊ＝Ｎ）までの各偏差を加算すれば問題ない。
式（５）の第３項（ＰＶ_0−ＰＶ_1−ΔＳＰ_0）Ｔｄ／ｄｔは制御が微分動作になることを示しており、設定値ＳＰが１制御周期前の値に対して上昇する場合はΔＳＰ_0＝０．０の微分先行型になる。すなわち、設定値ＳＰが１制御周期前の値に対して上昇する場合、式（５）によって行われる全体の制御動作は微分先行型（ＰＩ−Ｄ制御）になる。

上記のとおり、式（３）の第３項（ＰＶ_0−ＰＶ_1−ΔＳＰ_0）Ｔｄ／ｄｔは制御が微分動作になることを示しており、設定値ＳＰが１制御周期前の値に対して下降する場合はΔＳＰ_0が加味される通常型になる。すなわち、設定値ＳＰが１制御周期前の値に対して下降する場合、式（５）によって行われる全体の制御動作は通常型（ＰＩＤ制御）になる。

操作量出力部７は、ＰＩＤ演算部５が算出した操作量ＭＶを図示しない有害物質低減装置に出力する（ステップＳ１０５）。本実施の形態では、有害物質低減装置として換気装置を想定している。図７に示した空調システムあるいは特許文献１に開示された空調システムが、換気装置に相当する。図７に示した空調システムでは、操作量ＭＶが上昇すると、空調機によって冷却または加熱された給気の量を調節するダンパの開度が大きくなり、空気浄化フィルタで濾過する給気の量が増加するので、被制御空間における微生物の量が減少する。操作量ＭＶが下降すると風量が減少して微生物の量が増加することは言うまでもない。また、特許文献１に開示された空調システムでは、操作量ＭＶが上昇すると、紫外線照射装置を通過する換気の量が増加するので、被制御空間における微生物の量が減少する。

以上のようなステップＳ１０１〜Ｓ１０５の処理をオペレータ等の指令によって有害物質制御装置が停止するまで（ステップＳ１０６においてＹＥＳ）、制御周期ｄｔ毎に繰り返す。
以上のようにして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図４は本発明の第３の実施の形態に係る有害物質制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、上記発明の原理２に対応するものである。本実施の形態の有害物質制御装置は、有害物質計測部１と、設定値入力部２と、制御量入力部３と、ＰＩＤ演算部５と、操作量出力部７と、設定値ＳＰを決定する目安となる規定値ＶＳを取得する規定値入力部８と、予め規定された過去の特定期間内における制御履歴の中で、制御量ＰＶが最も上昇したときの規定値ＶＳと制御量ＰＶとの差である余裕度に応じて設定値ＳＰを更新する設定値更新部９とから構成される。

有害物質計測部１１、設定値入力部２、制御量入力部３、変化量処理部４、ＰＩＤ演算部５および操作量出力部７については、第１の実施の形態と同じなので説明は省略する。
図５は規定値入力部８および設定値更新部９の動作を示すフローチャートである。規定値ＶＳは、ＰＩＤ制御が行なわれる被制御空間において、設定値ＳＰを決定する目安となるＶＯＣの数量（単位［μｇ／ｍ³］）を表している。この規定値ＶＳは、規定値入力部８を介して設定値更新部９に入力される（図５ステップＳ２００）。

なお、設定値ＳＰはＰＩＤ制御により維持しようとする値であるが、ＰＩＤ制御で維持していても、ＶＯＣなどは実験室内の作業や人の出入りなどにより一時的にでも大きく乱れることは避けられない。すなわち、設定値ＳＰよりも実際のＶＯＣの数量が増加することは、当然のこととして想定される。ゆえに、増加を想定して増加したときに達する値を管理する必要があり、この管理値がＶＳに相当する。そして、現実的に発生する乱れによる増加を観察して、設定値ＳＰは規定値ＶＳよりも低い値に選ばれるべきであり、どの程度に低くするかということが、本実施の形態により自動的に決定される。

設定値更新部９は、予め規定された過去の特定期間Ｔ（単位［ｈｏｕｒ］）内において、最も有害物質の量が上昇したときの制御量ＰＶ_mを抽出し、規定値ＶＳと制御量ＰＶ_mとの差である余裕度ｄＳに基づいて、予め設定されたタイミング毎（例えば上記特定期間Ｔと同じ時間間隔のタイミング毎）に設定値ＳＰを更新する（ステップＳ２０１）。
ｄＳ＝ＶＳ−ＰＶ_m ・・・（６）
ＳＰ_n＝ＳＰ_c＋αｄＳ ・・・（７）

ＳＰ_cは更新前に設定されている設定値ＳＰ、ＳＰ_nは更新後の設定値ＳＰ、αは所定の安全係数（α≧０．０であり例えばα＝１．０）である。設定値更新部９は、式（６）により余裕度ｄＳを算出し、式（７）により新たな設定値ＳＰ_nを算出する。設定値更新部９が算出した設定値ＳＰ_nは、設定値入力部２を介して変化量処理部４とＰＩＤ演算部５に入力される。

図６に本実施の形態の典型的な設定値更新動作の例を示す。規定値ＶＳは、安全性と省エネルギー性の要求バランスに応じて、オペレータにより適宜設定される。
制御量ＰＶ_mが規定値ＶＳを下回って余裕度ｄＳ＞０．０となる場合、すなわち安全性に余裕がある場合、設定値ＳＰは更新前よりも高い数値（省エネルギー優先側）に自動更新される。

制御量ＰＶ_mが規定値ＶＳを上回って余裕度ｄＳ＜０．０となる場合、すなわち安全性に余裕がない場合、設定値ＳＰは更新前よりも低い数値（安全優先側）に自動更新される。また、制御量ＰＶ_mが規定値ＶＳと一致して余裕度ｄＳ＝０．０となる場合、設定値ＳＰは更新前と同じ数値のまま維持される。

設定値ＳＰの自動更新時に、省エネルギー優先側に自動更新されるときに緩やかな動作になることを期待しているオペレータにとっては、第１の実施の形態で説明したとおり、風量が緩やかに減少する制御動作が保証される。一方、安全優先側に自動更新されるときに急峻な動作になることを期待しているオペレータにとっては、第１の実施の形態で説明したとおり、風量が急峻に増加する制御動作が保証される。このように、本実施の形態では、安全なＰＩＤ制御動作を行いながら、設定値ＳＰの自動更新を行うことができ、安全かつ省エネルギーを考慮した適切な設定値ＳＰを設定することができる。

また、本実施の形態によれば、省エネルギー優先側に設定値変更したときに、制御量ＰＶのオーバーシュートが発生し難くなる。したがって、設定値ＳＰの自動更新が要因になって有害物質の量が最も上昇するというような、本末転倒な現象の発生を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、第１の実施の形態に対して規定値入力部８および設定値更新部９を追加した構成を説明しているが、第２の実施の形態に追加してもよいことは言うまでもない。

第１〜第３の実施の形態で説明した有害物質制御装置は、ＣＰＵ、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１〜第３の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、有害物質の数量をリアルタイムに計測して制御する技術に適用することができる。

１…有害物質計測部、２…設定値入力部、３…制御量入力部、４…変化量処理部、５…ＰＩＤ演算部、６…ＰＩＤ制御部、７…操作量出力部、８…規定値入力部、９…設定値更新部。

Claims (12)

1. 被制御空間の有害物質の数量を制御量ＰＶの値として計測する有害物質計測手段と、
   被制御空間における有害物質の数量の目標値を表す設定値ＳＰの変更時に、有害物質が増加する側への設定値変更の場合には微分先行型あるいは比例微分先行型のＰＩＤ演算により設定値ＳＰと制御量ＰＶとから操作量ＭＶを算出し、有害物質が減少する側への設定値変更の場合には通常型のＰＩＤ演算により設定値ＳＰと制御量ＰＶとから操作量ＭＶを算出するＰＩＤ制御手段と、
   操作量ＭＶに応じて被制御空間から排出する空気の風量あるいは被制御空間へ供給する空気の風量を変化させて被制御空間における有害物質の数量を調節する有害物質低減装置に対して、前記ＰＩＤ制御手段が算出した操作量ＭＶを出力する操作量出力手段とを備えることを特徴とする有害物質制御装置。
2. 請求項１記載の有害物質制御装置において、
   前記ＰＩＤ制御手段は、
   設定値ＳＰの変更時に設定値ＳＰが下降する場合にのみ、設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを算出する変化量処理手段と、
   設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを比例動作と微分動作に反映させてＰＩＤ演算を行ない、操作量ＭＶを算出するＰＩＤ演算手段とから構成されることを特徴とする有害物質制御装置。
3. 請求項１記載の有害物質制御装置において、
   前記ＰＩＤ制御手段は、
   設定値ＳＰの変更時に設定値ＳＰが下降する場合にのみ、設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを算出する変化量処理手段と、
   設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを微分動作に反映させてＰＩＤ演算を行ない、操作量ＭＶを算出するＰＩＤ演算手段とから構成されることを特徴とする有害物質制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の有害物質制御装置において、
   さらに、設定値ＳＰを決定する目安となる所定の有害物質の数量を規定値ＶＳとしたとき、予め規定された過去の特定期間内における制御履歴の中で、制御量ＰＶが最も上昇したときの前記規定値ＶＳと制御量ＰＶとの差である余裕度に応じて設定値ＳＰを更新する設定値更新手段を備えることを特徴とする有害物質制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の有害物質制御装置において、
   前記有害物質計測手段は、微生物数計測装置であることを特徴とする有害物質制御装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の有害物質制御装置において、
   前記有害物質計測手段は、揮発性有機化合物計測装置であることを特徴とする有害物質制御装置。
7. 有害物質計測手段により被制御空間の有害物質の数量を制御量ＰＶの値として計測する有害物質計測ステップと、
   被制御空間における有害物質の数量の目標値を表す設定値ＳＰの変更時に、有害物質が増加する側への設定値変更の場合には微分先行型あるいは比例微分先行型のＰＩＤ演算により設定値ＳＰと制御量ＰＶとから操作量ＭＶを算出し、有害物質が減少する側への設定値変更の場合には通常型のＰＩＤ演算により設定値ＳＰと制御量ＰＶとから操作量ＭＶを算出するＰＩＤ制御ステップと、
   操作量ＭＶに応じて被制御空間から排出する空気の風量あるいは被制御空間へ供給する空気の風量を変化させて被制御空間における有害物質の数量を調節する有害物質低減装置に対して、前記ＰＩＤ制御ステップで算出した操作量ＭＶを出力する操作量出力ステップとを備えることを特徴とする有害物質制御方法。
8. 請求項７記載の有害物質制御方法において、
   前記ＰＩＤ制御ステップは、
   設定値ＳＰの変更時に設定値ＳＰが下降する場合にのみ、設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを算出する変化量処理ステップと、
   設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを比例動作と微分動作に反映させてＰＩＤ演算を行ない、操作量ＭＶを算出するＰＩＤ演算ステップとからなることを特徴とする有害物質制御方法。
9. 請求項７記載の有害物質制御方法において、
   前記ＰＩＤ制御ステップは、
   設定値ＳＰの変更時に設定値ＳＰが下降する場合にのみ、設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを算出する変化量処理ステップと、
   設定値ＳＰの変化量ΔＳＰを微分動作に反映させてＰＩＤ演算を行ない、操作量ＭＶを算出するＰＩＤ演算ステップとからなることを特徴とする有害物質制御方法。
10. 請求項７乃至９のいずれか１項に記載の有害物質制御方法において、
    さらに、設定値ＳＰを決定する目安となる所定の有害物質の数量を規定値ＶＳとしたとき、予め規定された過去の特定期間内における制御履歴の中で、制御量ＰＶが最も上昇したときの前記規定値ＶＳと制御量ＰＶとの差である余裕度に応じて設定値ＳＰを更新する設定値更新ステップを備えることを特徴とする有害物質制御方法。
11. 請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の有害物質制御方法において、
    前記有害物質計測手段は、微生物数計測装置であることを特徴とする有害物質制御方法。
12. 請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の有害物質制御方法において、
    前記有害物質計測手段は、揮発性有機化合物計測装置であることを特徴とする有害物質制御方法。

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