JPH0550834A

JPH0550834A - 車両用空調装置

Info

Publication number: JPH0550834A
Application number: JP22888291A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Kawai; 伸幸河合; Ikutaro Nomichi; 郁太郎野路; Makoto Fukubayashi; 誠福林
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1991-08-14
Filing date: 1991-08-14
Publication date: 1993-03-02

Abstract

(57)【要約】【目的】あらゆる環境条件の変化に対して応答性と安定
性とを確保しながら皮膚温度の目標値に追従させ、快適
な空調を行なう車両用空調装置を提供する。【構成】車室内空調制御に必要な熱負荷に関する複数の
物理量に基づいて制御量を算出し、空調ユニット２内の
温度調節手段，風量調節手段，吹出し口調節手段などを
制御する車両用空調装置に、複数の物理量の内の乗員の
皮膚温度の時間的に推移させるべき目標値を発生する目
標皮膚温発生手段７１と、皮膚温推定モデル７２ａを有
し、複数の物理量の内の測定不可能または測定困難な車
体温度，吹出し風量などを推定するとともに、これらの
推定物理量に基づいて皮膚温推定モデル７２ａで乗員の
皮膚温度を推定する皮膚温推定手段７２と、制御定数の
最適値を算出し、皮膚温度の目標値，皮膚温度の推定
値，および複数の物理量の内の測定可能な物理量に基づ
いて制御量を決定する演算手段７４と、この演算手段７
４を線形動作させる線形補償手段７３とから成る空調制
御手段７を備え、乗員に快適感を与える皮膚温度になる
ように空調制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、外気温度や日射量など
の空調に必要な熱負荷に関する複数の物理量をシステム
制御理論（現代制御理論）に従って処理し、車室内を目
標温度に空調する車両用空調装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、車室内温度設定値，実際の車
室内温度，外気温度および日射量に基づいて、風量およ
び吹出し口を制御して、車室内を目標温度に空調する車
両用空調装置が知られている（例えば、日産サービス周
報昭和６２年６月第５７８号参照）。この種の装置で
は、図１０に示すように、車室内温度設定値Ｔｐｔｃ，
車室内温度Ｔｉｎｃ，日射量Ｑｓｕｎおよび外気温度Ｔ
ａｍｂをコントローラ１へ入力し、設定温度Ｔｐｔｃと
実際の車室内温度Ｔｉｎｃとの差，日射量Ｑｓｕｎ，外
気温度Ｔａｍｂおよび設定温度Ｔｐｔｃに、それぞれ実
験的に得られた制御定数Ｋ１０〜Ｋ１３を乗じて制御指
令値を算出し、演算器１ａ，１ｂによって空調ユニット
２の制御量、すなわちエアーミックスドア開度Ｘおよび
ブロア駆動電圧Ｖｆを決定し、ヒータコア，エバポレー
タ，エアーミックスドア，ブロア，各吹出しドアなどか
ら成る周知の空調ユニット２を制御して、目標吹出し温
度Ｔｏおよび目標吹出し風量Ｇａで車室３の空調を行な
う。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、車室内の乗
員の平均皮膚温度と乗員の温冷感との間には、強い相関
があることが知られている。さらに、乗員の顔や手など
は、空調装置の吹出し温度，吹出し風量，日射量などの
変化によって敏感に影響を受け、それらの部位の皮膚温
度の変化にともなって乗員の温冷感、すなわち快適感も
変化する。従って、快適な空調を実現するためには、乗
員の皮膚温度を検出して環境条件が変化しても皮膚温度
が一定になるように空調制御することが望ましい。しか
しながら、上述した従来の装置では、吹出し温度および
吹出し風量を制御して車室内温度を一定にするようにし
ているので、乗員の皮膚温度の敏感な変化にともなう温
冷感に対応できず、空調装置の吹出し温度，吹出し風
量，日射量などの環境条件が変化すると、乗員に過渡的
に不快感をもたらすという問題がある。この問題を解決
するため、接触型センサにより乗員の皮膚温度を直接検
出して空調制御したり、非接触型センサにより間接的に
皮膚温度を検出して空調制御することが考えられるが、
前者では乗員の皮膚に接触型センサを取り付けることに
対する不快感があり、後者では複雑かつ高価な非接触型
センサが必要になるなど、いずれも難点がある。

【０００４】本発明の目的は、あらゆる環境条件の変化
に対して応答性と安定性とを確保しながら皮膚温度の目
標値に追従させ、快適な空調を行なう車両用空調装置を
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】クレーム対応図である図
１に対応づけて本発明を説明すると、車室内空調制御に
必要な熱負荷に関する複数の物理量に基づいて制御量を
算出し、空調ユニット２内の温度調節手段，風量調節手
段，吹出し口調節手段などを制御する車両用空調装置に
適用される。そして、複数の物理量の内の乗員の皮膚温
度の時間的に推移させるべき目標値を発生する目標皮膚
温発生手段７１と、皮膚温推定モデル７２ａを有し、複
数の物理量の内の測定不可能または測定困難な車体温
度，吹出し風量などを推定するとともに、これらの推定
物理量に基づいて皮膚温推定モデル７２ａで乗員の皮膚
温度を推定する皮膚温推定手段７２と、制御定数の最適
値を算出し、皮膚温度の目標値，皮膚温度の推定値，お
よび複数の物理量の内の測定可能な物理量に基づいて制
御量を決定する演算手段７４と、この演算手段７４を線
形動作させる線形補償手段７３とから成る空調制御手段
７を備えることにより、上記目的が達成される。

【０００６】

【作用】空調制御手段７の演算手段７４は、制御定数の
最適値を算出し、目標皮膚温発生手段７１により発生さ
れた皮膚温度の目標値，皮膚温推定手段７２により推定
された皮膚温度の推定値，および複数の物理量の内の測
定可能な物理量に基づいて制御量を決定し、空調ユニッ
ト２を制御する。

【０００７】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段および作用の項では、本発明を分り
やすくするために各手段の符号に対応する実施例の要素
と同一の符号を用いたが、これにより本発明が実施例に
限定されるものではない。

【０００８】

【実施例】図２は、一実施例の構成を示すブロック図で
ある。なお、図１０と同様な機器に対しては同符号を付
して相違点を中心に説明する。図において、４は、日射
量Ｑｓｕｎを検出する日射センサ、５は、外気温度Ｔａ
ｍｂを検出する外気温センサ、６は、車室内温度設定値
Ｔｐｔｃを設定する室温設定器である。

【０００９】７は、マイクロコンピュータおよびその周
辺部品から構成されるコントローラであり、規範モデル
７１，オブザーバ７２，線形補償器７３および最適レギ
ュレータ７４からなり、日射量Ｑｓｕｎ，外気温度Ｔａ
ｍｂ，車室内温度設定値Ｔｐｔｃおよび車室内温度Ｔｉ
ｎｃに基づいて、制御量、すなわちエアーミックスドア
開度Ｘおよびブロア駆動電圧Ｖｆを算出し、空調ユニッ
ト２を制御する。

【００１０】規範モデル７１は、人間の快適感に合った
吹出し風量Ｇａおよび吹出し温度Ｔｏの時間変化および
環境変化による推移を次式のように数式化し、車室内温
度設定値Ｔｐｔｃを変化させた時の目標皮膚温度Ｔｆ^*
を算出する。この目標皮膚温度Ｔｆ^*は、定常時の快適
な皮膚温度を決定するものであると同時に、それらの目
標皮膚温度に到達するまでの過渡時においても、乗員の
快適感に合った皮膚温度の変化具合を決定するものであ
る。ｄＸｒ／ｄｔ＝Ａｒ・Ｘｒ＋Ｂｒ・Ｔｐｔｃ・・・（１）Ｙｒ＝Ｃｒ・Ｘｒ・・・（２）ここで、Ｘｒは状態変数ベクトル、Ｙｒは出力変数ベク
トルであり、Ｘｒ＝Ｙｒ＝Ｔｆ^*、また、Ａｒ，Ｂｒ，Ｃｒは係数マトリクスである。

【００１１】図３は、本発明に係わる車両用空調装置に
よる空調結果（実線）と従来装置による空調結果（破
線）とを示すタイムチャートであり、（ａ）は時刻ｔ１
で設定温度Ｔｐｔｃを下げた時を示し、（ｂ）は時刻ｔ
２で設定温度Ｔｐｔｃを上げた時を示す。従来の空調装
置では、設定温度Ｔｐｔｃを変化させた時の車室内温度
Ｔｉｎｃの過渡変化は、コントローラ１の制御量により
決定し、過渡状態では必ずしも乗員の快適感を満足させ
るものではなかった。本発明の空調装置では、規範モデ
ル７１において時間変化および環境変化に応じた目標皮
膚温度Ｔｆ^*を決定するようにしたので、定常時は勿
論、過渡時にも乗員の快適感に合った皮膚温度が設定さ
れる。

【００１２】図４は、オブザーバ７２の構成を示す制御
ブロック図である。なお以下では、制御ブロック図内の
記号などはシステム制御（現代制御）の一般的な表記法
に従って表示し、それらの説明を省略する。図におい
て、７２ｂは、実際の制御対象のシステムであり、空調
装置の実験結果により固定係数マトリクスＡｏ，Ｂｏ，
Ｃｏを有する線形時不変システム（固定係数システム）
と仮定したものである。オブザーバ７２は、予め同定し
た制御対象システム７２ｂの皮膚温推定モデル７２ａを
有し、測定可能な車室内温度Ｙｏ（＝Ｔｉｎｃ）と予め
同定した皮膚温推定モデル７２ａから出力される車室内
温度推定値Ｙｏ^Sとの偏差（Ｙｏ−Ｙｏ^S）をフィードバ
ックすることによって、図５に示す測定不可能または測
定困難な車体温度Ｔｍ，吹出し風量Ｇａ，エアーミック
スドア開度Ｘｍｍ（不図示）などを推定し、これらの推
定値に基づいて現在の皮膚温度Ｔｆを推定する。

【００１３】今、制御対象のシステム７２ｂの状態方程
式，出力式は、次のように表される。ｄＸｏ／ｄｔ＝Ａｏ・Ｘｏ＋Ｂｏ・Ｕ・・・（３）Ｙｏ＝Ｔｉｎｃ＝Ｃｏ・Ｘｏ・・・（４）ここで、Ｘｏは状態変数ベクトルであり、Ｘｏ＝［Ｔｍ，Ｔｉｎｃ，Ｇａ，Ｘｍｍ，Ｔｆ］^T また、Ｕは制御指令値ベクトルである。予め同定した皮
膚温推定モデル７２ａにより推定される車体温度Ｔｍ，
吹出し風量Ｇａ，エアーミックスドア開度Ｘｍｍおよび
皮膚温度Ｔｆの状態変数Ｘｏの推定値をＸｏ^Sとする
と、皮膚温推定モデル７２ａは次式により表される。ｄＸｏ^S／ｄｔ＝Ａｏ・Ｘｏ^S＋Ｂｏ・Ｕ・・・（５）Ｙｏ＝Ｔｉｎｃ^S＝Ｃｏ・Ｘｏ^S ・・・（６）ここで、Ｘｏ^S＝［Ｔｍ^S，Ｔｉｎｃ^S，Ｇａ^S，Ｘｍ
ｍ^S，Ｔｆ^S］^T、Ｔｍ^Sは車体温度Ｔｍの推定値、Ｔｉｎ
ｃ^Sは車室内温度Ｔｉｎｃの推定値、ＧａSは吹出し風量
Ｇａの推定値、Ｘｍｍ^Sはエーミックスドア開度Ｘｍｍ
の推定値、Ｔｆ^Sは皮膚温度Ｔｆの推定値である。係数
マトリクスＡｏ，Ｂｏの変動や、外乱により生ずる各状
態変数の推定誤差ｅｏ（＝Ｘｏ^S−Ｘｏ）を０に収束さ
せるため、図４に示すようにフィードバックを皮膚温推
定モデル７２ａに加えることにより、オブザーバ７２は
次のように表される。ｄＸｏ^S／ｄｔ＝Ａｏ・Ｘｏ^S＋Ｂｏ・Ｕ＋Ｆ・（Ｙｏ−Ｙｏ^S）・・・（７）ここで、Ｆはフィードバック係数マトリスクスである。

【００１４】ところで、空調装置における制御対象シス
テムは非線形であり、後述する最適レギュレータ７４を
非線形動作させることは困難なため、線形補償器７３に
より線形化補償を行なう。線形補償器７３は、図６
（ａ）に示すように、非線形状態フィードバックと非線
形状態フィードフォワードとにより構成される。すなわ
ち、ｕ＝ｆ（Ｘ，ｔ）＋ｇ（Ｘ，ｔ）・Ｕ・・・（８）ここで、Ｕ＝［ｕ１，ｕ２］^T、なお、ｕ１はブロア電
圧を決定する制御指令値、ｕ２は吹出し温度を決定する
制御指令値である。また、ｆ（Ｘ，ｔ）は非線形フィー
ドバック関数、ｇ（Ｘ，ｔ）は非線形フィードフォワー
ド関数である。（８）式により、Ｕ〜Ｙは線形化されて
次式のように変換される（図６（ｂ）。ｄＹ／ｄｔ＝Ａ１・Ｙ＋Ｂ１・Ｕ・・・（９）ここで、Ａ１，Ｂ１は係数マトリクスである。

【００１５】最適レギュレータ７４は、規範モデル７１
の皮膚温度目標値Ｔｆ^*に追従するため、評価関数Ｊを
用いて応答性と安定性を両立させる制御定数の最適値を
算出し、制御量を決定する。評価関数Ｊは、次式で表さ
れる。Ｊ＝∫｛Ｗ１・（ΔＴｉｎｃ）²＋Ｗ２・（ΔＴｆ）²＋Ｗ３・（ｄｕ１／ｄｔ）2＋Ｗ４・（ｄｕ２／ｄｔ）²｝ｄｔ・・・（１０）ここで、ΔＴｉｎｃは、車室内温度Ｔｉｎｃとその目標
値Ｔｉｎｃ^*との偏差、ΔＴｆは、乗員の皮膚温度Ｔｆ
とその目標値Ｔｆ^*との偏差、ｄｕ１／ｄｔは、ブロア
駆動電圧Ｖｆを決定する制御指令値の変化の急激差を示
す時間微分値、ｄｕ２／ｄｔは、吹出し温度Ｔｏを決定
する制御指令値の変化の急激差を示す時間微分値、Ｗ
１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４は重み係数である。また∫は、０
から∞までの積分演算を示す。上式の中で、ΔＴｆは、
日射や吹出し風が当る部位の局所温冷感を表し、またｄ
ｕ１／ｄｔおよびｄｕ２／ｄｔは、ブロアの騒音，吹出
し風量，吹出し温度の変化感を表す。これらΔＴｉｎ
ｃ，ΔＴｆ，ｄｕ１／ｄｔおよびｄｕ２／ｄｔは、乗員
の快適性に影響を与える主要なパラメータであり、総合
的に快適感を評価するため、まず各パラメータの重み係
数Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４を決定する。

【００１６】上述した（１），（２），（９）式から次
式に示すような拡大系が構成される。ｄＥ／ｄｔ＝Ａｅ・Ｅ＋Ｂｅ・ｄＵ／ｄｔ・・・（１１）ここで、Ｅ＝［ｄＹ／ｄｔ，ｅ，ｄＸｒ／ｄｔ］^T、ま
た、Ａｅ，Ｂｅは係数マトリクス、ｅは偏差ベクトル
（ｅ＝Ｙｒ−Ｙ）である。（１１）式において、評価関
数Ｊを最小にする制御則は次式で表される。ｄＵ／ｄｔ＝Ｋ１・ｄＹ／ｄｔ＋Ｋ２・ｅ＋Ｋ３・ｄＸｒ／ｄｔ・・・（１２）ここで、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は、制御定数マトリクスであ
る。（１２）式の制御指令値ベクトルの時間微分値ｄＵ
／ｄｔを極力小さくして目標値に追従させるため、次式
により制御定数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３を決定する。（Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３）＝−Ｒ^-1Ｂｅ^TＰ・・・（１３）ここで、Ｒは重み係数マトリクス、Ｐは次のリカッチ方
程式のマトリクス解である。Ａｅ^T・Ｐ＋Ｐ・Ａｅ＋Ｑ−Ｐ・Ｂｅ・Ｒ^-1・Ｂｅ^T・Ｐ＝０・・・（１４）ここで、Ｑは重み係数マトリクスである。このように、
重み係数マトリクスＱ，Ｒを設定することにより、所定
のアルゴリズムに従って制御定数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３が決
定される。上式により決定された制御定数Ｋ１，Ｋ２，
Ｋ３を（１１）式に代入して積分することにより、最適
制御指令値ベクトルＵ、すなわち空調ユニット２の制御
量が決定される。Ｕ＝Ｋ１・Ｙ＋Ｋ２・∫ｅｄｔ＋Ｋ３・Ｘｒ＋｛Ｕ（０）−Ｋ１・Ｙ（０） −Ｋ３・Ｘｒ（０）｝・・・（１５）ここで、Ｕ（０），Ｙ（０），Ｘｒ（０）は、それぞれ
制御指令値，出力，状態変数の初期値である。

【００１７】図７は、このようにして設計された最適レ
ギュレータ７４の構成を示す制御ブロック図である。ま
た図８は、最適レギュレータ７４の制御指令値の算出過
程を示すタイムチャートである。最適レギュレータ７４
は、図８の時刻ｔ３に示すように、規範モデル７１で算
出された目標皮膚温度Ｔｆ^*と、実際の皮膚温度の推測
値Ｔｆ^Sとの差の面積が最小となるように空調ユニット
２の制御量を決定する。すなわち、乗員の快適性を評価
する評価関数Ｊに基づいてあらゆる条件下で応答性と安
定性を確保しつつ、乗員の快適性に合った規範モデル７
１の皮膚温度目標値Ｔｆ^*になるように空調ユニット２
を制御する。なお、上述したように最適レギュレータ７
４で算出された制御量は線形補償器７３によって線形化
される。

【００１８】図９は、コントローラ７のマイクロコンピ
ュータで実行される制御プログラムを示すフローチャー
トである。マイクロコンピュータは、空調装置の図示し
ないメインスイッチが投入されるとこの制御プログラム
の実行を開始する。このフローチャートにより、コント
ローラ７の動作を説明する。ステップＳ１において、室
温設定器６により設定された車室内温度設定値Ｔｐｔｃ
を入力し、規範モデル７１で乗員の快適感に合った目標
皮膚温度Ｔｆ^*を算出して最適レギュレータ７４に出力
する。続くステップＳ２で、オブザーバ７２によって測
定不可能または測定困難な車体温度Ｔｍ，吹出し風量Ｇ
ａ，エアーミックスドア開度Ｘｍｍなどを推定し、これ
らの推定値に基づいて現在の皮膚温度Ｔｆを予測して最
適レギュレータ７４に出力する。

【００１９】ステップＳ３で、最適レギュレータ７４に
より、規範モデル７１の皮膚温度目標値Ｔｆ^*，オブザ
ーバ７２により推定された皮膚温度推定値Ｔｆ^S，およ
び測定された車室内温度Ｔｉｎｃに基づいて、目標値と
の偏差および制御量の変化量を算出するとともに、評価
関数Ｊによって目標値に追従するための最適な制御定数
を算出し、制御量を決定して線形補償器７３へ出力す
る。ステップＳ４では、線形補償器７３により、最適レ
ギュレータ７４からの制御量を線形化する。そして、ス
テップＳ５で、線形化された制御量を空調ユニット２へ
出力する。空調ユニット２は、この制御量に従ってエア
ーミックスドアおよび各吹出し口ドアのアクチュエータ
を駆動するとともに、ブロアを駆動して車室３の空調を
行なう。

【００２０】このように、規範モデル７１で、乗員の快
適感に合った定常時および過渡時の目標皮膚温度Ｔｆ^*
を設定し、オブザーバ７２で、測定不可能または測定困
難な車体温度Ｔｍ，吹出し風量Ｇａおよびエアーミック
スドア開度Ｘｍｍを推定し、これらの推定値Ｔｍ^S，Ｇ
ａ^S，Ｘｍｍ^Sに基づいて皮膚温度推定値Ｔｆ^Sを求め、
最適レギュレータ７４で、目標皮膚温度Ｔｆ^*に追従す
るために評価関数Ｊにより制御定数の最適値を算出する
とともに、目標皮膚温度Ｔｆ^*，オブザーバ７２の推定
物理量Ｔｍ^S，Ｇａ^S，Ｘｍｍ^S，Ｔｆ^Sおよび測定可能な
車室内温度Ｔｉｎｃに基づいて制御量を決定するように
したので、あらゆる環境条件に対して応答性と安定性を
確保しながら目標皮膚温度Ｔｆ^*に追従させることが可
能となり、乗員に不快感を与える接触型センサや複雑，
高価な非接触型センサを用いず、皮膚温度Ｔｆを推定し
て快適な空調を行なうことができる。また、制御定数の
チューニングのための実験工数が削減される。

【００２１】以上の実施例の構成において、コントロー
ラ７が空調制御手段を、規範モデル７１が目標皮膚温発
生手段を、オブザーバ７２が皮膚温推定手段を、線形補
償器７３が線形補償手段を、最適レギュレータ７４が演
算手段をそれぞれ構成する。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、制
御定数の最適値を算出し、乗員の皮膚温度の時間的に推
移させるべき目標値と、測定不可能または測定困難な車
体温度，吹出し風量などの推定物理量に基づいて推定さ
れた推定皮膚温度と、測定可能な物理量とに基づいて空
調ユニットの制御量を算出するようにしたので、あらゆ
る環境条件に対して応答性と安定性を確保しながら目標
皮膚温度に追従させることが可能となり、乗員に不快感
を与える接触型センサや、複雑，高価な非接触型センサ
を用いることなく皮膚温度を推定して快適な空調を行な
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】クレーム対応図。

【図２】一実施例の構成を示すブロック図。

【図３】車室内温度の設定値を変化させた時の車室内温
度の変化を示すタイムチャート。

【図４】オブザーバの構成を示す制御ブロック図。

【図５】空調制御に必要な熱負荷に関する物理量を示す
図。

【図６】線形補償器を示す制御ブロック図。

【図７】最適レギュレータを示す制御ブロック図。

【図８】最適レギュレータにおける制御量の算出方法を
説明する図。

【図９】コントローラのマイクロコンピュータで実行さ
れる制御プログラム例を示すフローチャート。

【図１０】従来の車両用空調装置を示すブロック図。

【符号の説明】

２空調ユニット４日射センサ５外気温センサ６室温設定器７コントローラ７１規範モデル７２オブザーバ７２ａ皮膚温推定モデル７３線形補償器７４最適レギュレータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】車室内空調制御に必要な熱負荷に関する複
数の物理量に基づいて制御量を算出し、空調ユニット内
の温度調節手段，風量調節手段，吹出し口調節手段など
を制御する車両用空調装置において、前記複数の物理量の内の乗員の皮膚温度の時間的に推移
させるべき目標値を発生する目標皮膚温発生手段と、皮膚温推定モデルを有し、前記複数の物理量の内の測定
不可能または測定困難な車体温度，吹出し風量などを推
定するとともに、これらの推定物理量に基づいて前記皮
膚温推定モデルで前記乗員の皮膚温度を推定する皮膚温
推定手段と、制御定数の最適値を算出し、前記皮膚温度の目標値，前
記皮膚温度の推定値，および前記複数の物理量の内の測
定可能な物理量に基づいて前記制御量を決定する演算手
段と、この演算手段を線形動作させる線形補償手段とから成る
空調制御手段を備えることを特徴とする車両用空調装
置。