JPH06241539A - 空気調和機用温水弁の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 温水弁のファジィ制御により室内温度Ｔh 等
の制御対象を迅速、高精度に制御する方法の提供。 【構成】 室内温Ｔh を所定サンプリングタイムＨs 経
過毎にデータとして取りこみ、設定温Ｔs と現在室温Ｔ
h now との温度差ｆp を算出し温度差データを求める。
現在室内温Ｔh now と、前回室内温Ｔh old との差とし
て室内温度変化率ｆd を算出し、室内温度変化率データ
を求める。温度差データ及び室内温度変化率データから
所定の制御ルールを全てのファジィデータについて参照
し、温度差データ及び室内温度変化率データから求めら
れた出力メンバシップに基づき合成を行い、一点化演算
して算出されたＧが温水弁のステップ位置の制御量とな
り、前回位置Ｇo に加算して目標ステップＧs となる。
Ｇs Ｇo に夫々対応するステップ数との差が温水弁駆動
ステップ数Ｓm となり、Ｓm に対応する制御信号を出力
して温水弁の開度を調節する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷媒回路に接続された
蒸発器である冷房用熱交換器と、温水回路に接続された
暖房用熱交換器と、送風機とを内蔵した室内ユニットを
備えた空気調和機において、温水回路に配設された温水
弁の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発
器を順次冷媒配管で接続した冷媒回路で構成した冷凍サ
イクルにより冷房運転を行い、熱源機、温水弁、熱交換
器、循環ポンプを順次温水配管で接続した温水回路で暖
房運転を行う冷暖房用空気調和機が用いられている。

【０００３】上記温水回路の温水弁としては熱応動弁が
用いられ、暖房時の温度を制御するためにオン・オフ制
御されるものが一般的であった。また、一例として特開
平２−103330号公報に記載されているように、温水の流
量を調節することのできる温水弁を用い、室内温度Ｔh
或いは吹出温度Ｔw 等の制御対象と、それぞれの制御対
象の設定温度Ｔs との差に基づいて温水弁の制御方向
（開方向または閉方向）及び制御量を定めて温水弁の開
度を比例制御している。なお、温水弁の制御量として
は、ステッピングモータを用いた温水弁の場合のステッ
ピングモータのステップ数、直流モータを用いた温水弁
の場合の駆動速度（駆動電流）等がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の空気調和機用温水弁の制御方法においては、温水弁
の流量特性（制御量に対する流量特性）がリニアではな
いから、制御量の変化量に対する温水流量の変化量が一
定ではなく、同一の制御量変化に対する流量変化量が異
なるため、室内温度Ｔh の変化量が異なることになり、
室内温度Ｔh 等の制御対象を迅速に高い精度で制御する
ことが困難であるという問題があり、この問題を解決す
るために、温水弁の弁位置によって制御演算の方式を変
更することが考えられるが、非常に複雑になるという問
題があった。種類の異なる空気調和機毎に設計条件が異
なるものであり、各機種毎に完全にリニアな特性を備え
た温水弁を開発することが考えられるが、開発工数がか
かり過ぎるという問題があった。

【０００５】本発明の目的は、温水弁の制御にファジイ
推論を用いることにより、室内温度Ｔh 等の制御対象を
迅速且つ高い精度で制御することのできる空気調和機用
温水弁の制御方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の空気調和機用温水弁の制御方法において
は、温水弁を有する温水暖房回路を備え、温水暖房回路
運転時に室内温度に応じて温水弁の開度を調節する空気
調和機において、設定温度と室内温度との温度差及び室
内温度変化率とを検出し、検出された温度差及び室内温
度変化率に基づいてファジー推論演算によりテーブルア
ドレスを算出し、該テーブルアドレスに基づき、予めテ
ーブルアドレスに対する温水弁制御量を設定した温水弁
特性テーブルにより温水弁の制御量を求めるものであ
る。

【０００７】

【作用】温水暖房回路運転時に、温度差及び室内温度変
化率に基づいてファジー推論演算により算出されるファ
ジー出力がテーブルアドレスとなり、温水弁に対応させ
て設定した温水弁特性テーブルによって温水弁のステッ
ピングモータに対する駆動ステップ数等の制御量を求
め、該制御量だけ温水弁を制御することによって室内温
度の制御を行うことにより、温水弁の特性に応じた温水
弁特性テーブルを定めるだけで適正な制御を行うことが
でき、弁位置に応じて演算式等を変える必要がない。ま
た、ファジー推論に基づく制御のチューニングを、温水
弁の流量特性に依存することなく行うことができるか
ら、温水弁を変更する際に再チューニングが不要とな
る。

【０００８】

【実施例】本発明の実施例を、図を参照して説明する。
図７において、室内ユニット１内に、冷房用熱交換器即
ち蒸発器２と、暖房用熱交換器３とが空気流路に上流側
から順に配設され、その下流位置に室内ファン４が設置
されており、蒸発器２と暖房用熱交換器３の下方にドレ
ンパン５が設置されている。蒸発器２と、室外ユニット
６内に配設されたコンプレッサ７、室外ファン11で空冷
される凝縮器８、キャピラリチューブ（膨張装置）９が
冷媒配管10で順次接続された冷媒回路で冷凍サイクルが
構成され、コンプレッサ７で圧縮された冷媒は凝縮器８
で液化し、キャピラリチューブ９で断熱膨張した後、蒸
発器２で蒸発し、蒸発器２の周囲の空気と熱交換する。
暖房用熱交換器３は、温水熱源機12内に設置された水加
熱用熱交換器13に、循環ポンプ14及び流量制御弁（温水
弁）15を介して温水配管16で接続されて温水暖房回路が
形成されている。流量制御弁15はステッピングモータで
駆動されてステップ数で開度が定められるものであり、
暖房用熱交換器３の入口側に接続されている。

【０００９】制御装置17は、室内温度センサ等の室内温
度検知装置18で検出された室内温度Ｔh と、設定装置19
で設定された設定温度Ｔs とが入力され、室内ファン４
と、冷却回路のコンプレッサ７と室外ファン11、及び暖
房回路の温水熱源機12と循環ポンプ14及び温水弁15に制
御信号を出力するものであり、冷房運転時には、室内フ
ァン４とコンプレッサ７及び室外ファン11が運転され、
温水熱源機12と循環ポンプ14及び温水弁15がオフされ
る。また、除湿運転時には、室内ファン４と、冷却回路
のコンプレッサ７と室外ファン11、及び暖房回路の温水
熱源機12と循環ポンプ14、及び温水弁15がオンされる。
さらに、暖房運転時には、室内ファン４と、暖房回路の
温水熱源機12と循環ポンプ14が運転され、温水弁15の開
度が調節され、冷却回路のコンプレッサ７と室外ファン
11はオフされる。

【００１０】本発明において、暖房回路の温水弁15の開
度制御に採用したファジー推論の一例について図１のア
ルゴリズムに基づいて説明する。室内温度Ｔh をデータ
として取り込むタイミングを制御装置17内のサンプリン
グタイマで計測し、所定のサンプリングタイムＨs （例
えば、２分間）経過毎に室内温度Ｔh をデータとして取
り込み、予め設定された設定温度Ｔs と現在室内温度Ｔ
hnowとの温度差fp（ｔ）を算出する。 fp（ｔ）＝ΔＴh ＝Ｔs −Ｔhnow 算出された温度差fp（ｔ）に基づいて、図２に示すメン
バーシップ関数により入力メンバーシップ値を求め、温
度差ファジーデータを求める。図２は、次の５つのメン
バーシップ関数を示している。 ＮＢ：現在室内温度Ｔhnowが設定温度Ｔs より高い。 ｛fp（ｔ）＝−ΔＴh2で最大値１、fp（ｔ）＝−ΔＴh1
で最小値０｝ ＮＭ：現在室内温度Ｔhnowが設定温度Ｔs よりやや高
い。 ｛fp（ｔ）＝−ΔＴh1で最大値１、fp（ｔ）＝−ΔＴh2
及びfp（ｔ）＝０で最小値０｝ ＺＯ：ちょうど良い。 ｛fp（ｔ）＝０で最大値１、fp（ｔ）＝±ΔＴh1で最小
値０｝ ＰＭ：現在室内温度Ｔhnowが設定温度Ｔs よりやや低
い。 ｛fp（ｔ）＝ΔＴh1で最大値１、fp（ｔ）＝ΔＴh2及び
fp（ｔ）＝０で最小値０｝ ＰＢ：現在室内温度Ｔhnowが設定温度Ｔs より低い。 ｛fp（ｔ）＝ΔＴh2で最大値１、fp（ｔ）＝ΔＴh1で最
小値０｝ ここで、ΔＴh1及びΔＴh2は所定の温度差で、例えばΔ
Ｔh1＝2.1 度、ΔＴh2＝4.2 度としている。

【００１１】また、今回検出された現在室内温度Ｔhnow
と、現在室内温度Ｔhnowの前に検出した前回室内温度Ｔ
holdとの差として単位時間当たりの室内温度変化率fd
（ｔ）を算出する。 fd（ｔ）＝ΔＴd ＝ΔＴh ／Δｔ＝Ｔhnow−Ｔhold 算出された室内温度変化率fd（ｔ）に基づき、図３に示
すメンバーシップ関数により入力メンバーシップ値を求
め、室内温度変化率ファジーデータを求める。図３は、
次の３つのファジー変数のメンバーシップ関数を示して
いる。 Ｎ ：室内温度Ｔh が負の方向に変化している。 ｛fd（ｔ）＝−ΔＴd1で最大値１、fd（ｔ）＝０で最小
値０｝ ＺＯ：室内温度Ｔh に変化無し。 ｛fd（ｔ）＝０で最大値１、fd（ｔ）＝±ΔＴd1で最小
値０｝ Ｐ ：室内温度Ｔh が正の方向に変化している。 ｛fd（ｔ）＝ΔＴd1で最大値１、fd（ｔ）＝０で最小値
０｝ ここで、ΔＴd1は所定の室内温度変化率であり、例えば
ΔＴd1＝2.1 度としている。

【００１２】上記温度差ファジーデータ及び室内温度変
化率ファジーデータから、図４にマトリックスとして示
す制御ルールを参照して出力メンバーシップ値を求め
る。ここで、出力メンバーシップ関数Ｗは、ＮＢ（温水
弁開度小），ＮＭ（温水弁開度やや小），ＺＯ（温水弁
開度中），ＰＭ（温水弁開度やや大），ＰＢ（温水弁開
度大）の５つのファジー変数について定義される。制御
ルールは、 Ｒ１：温度差fp（ｔ）＝ＮＢ（現在室内温度Ｔhnowが設
定温度Ｔs より高い）で、室内温度変化率fd（ｔ）＝Ｎ
（室内温度Ｔh が負の方向に変化）であると、出力メン
バーシップ関数Ｗ＝ＮＭ（温水弁開度やや小）となる。
換言すれば、現在室内温度Ｔhnowが設定温度Ｔs より十
分高く（Ｔs −Ｔhnow＝ΔＴh2＝−4.2度）、室内温度
変化率fd（ｔ）が負の方向即ち室内温度Ｔh が低下する
傾向にあるときは、温水弁15の開度を少し小さい開度に
する。 Ｒ２：温度差fp（ｔ）＝ＮＭ（現在室内温度Ｔhnowが設
定温度Ｔs よりやや高い）で、室内温度変化率fd（ｔ）
＝Ｎ（室内温度Ｔh が負の方向に変化）であると、出力
メンバーシップ関数Ｗ＝ＺＯ（温水弁開度中）となる。
換言すれば、現在室内温度Ｔhnowが設定温度Ｔs よりや
や高く（Ｔs −Ｔhnow＝ΔＴh1＝−2.1度）、室内温度
変化率fd（ｔ）が負の方向即ち室内温度Ｔh が低下する
傾向にあるときは、温水弁15の開度を変化させない。 以下、同様にＲ15まで15通りの制御ルールが示されてお
り、出力メンバーシップ値（グレード値）として、２つ
の入力メンバーシップ値fp（ｔ）、fd（ｔ）の各グレー
ド値のうち小さいほうのグレード値を採用する（min.演
算）。例えば、Ｒ４に示す温度差fp（ｔ）＝ＰＭ、室内
温度変化率fd（ｔ）＝Ｎの状態においては、温度差fp
（ｔ）に対するファジー変数ＰＭのグレード値と、室内
温度変化率fd（ｔ）に対するファジー変数Ｎのグレード
値との小さいほうを採用するものである。図５に温水弁
の弁位置を示すステップ位置（本実施例では32段階とし
ている）に対する出力メンバーシップ関数Ｗを示す。

【００１３】上記制御ルールを全てのファジーデータに
ついて参照し、温度差ファジーデータ及び室内温度変化
率ファジーデータからmin.演算で求められた出力メンバ
ーシップ値に基づいて、max.演算を行い、得られた出力
メンバーシップ合成値により一点化演算（逆ファジー
化）を行う。一点化演算式は、重心演算式ｆ_w ＝∫f(x)
・ｘdx／∫f(x)dxを変形し、 Ｇ＝（α・ａ＋β・ｂ＋γ・ｃ＋δ・ｄ＋ε・ｅ）／
（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ） で算出し、この算出されたＧが温水弁15のステップ位置
の制御量となる。 但し、ａ：ＮＢ出力メンバーシップ合成値 ｂ：ＮＭ出力メンバーシップ合成値 ｃ：ＺＯ出力メンバーシップ合成値 ｄ：ＰＭ出力メンバーシップ合成値 ｅ：ＰＢ出力メンバーシップ合成値 また、α，β，γ，δ，εは重みづけ係数であり、本実
施例では、 α：出力メンバーシップ関数ＮＢが最大値をとる時のス
テップ位置 β：出力メンバーシップ関数ＮＭが最大値をとる時のス
テップ位置 γ：出力メンバーシップ関数ＺＯが最大値をとる時のス
テップ位置 δ：出力メンバーシップ関数ＰＭが最大値をとる時のス
テップ位置 ε：出力メンバーシップ関数ＰＢが最大値をとる時のス
テップ位置 である（本実施例においては、α＝−12、β＝−６、γ
＝０、δ＝＋６、ε＝＋12としている）。

【００１５】算出されたステップ位置の制御量Ｇを前回
のステップ位置（現時点の実ステップ位置）Ｇo に加算
したものが、今回の温水弁15のアドレス（目標ステップ
位置Ｇs ）となるから、図６に示す温水弁特性テーブル
の一例（図示しないがグラフでも良い）から、目標ステ
ップ位置Ｇs に対応する目標ステップ数Ｓと、前回のス
テップ位置Ｇo （温水弁が前回から駆動されていないか
ら現時点における実ステップ位置）に対応する実ステッ
プ数Ｓo との差が今回温水弁15のステッピングモータを
駆動すべき駆動ステップ数（制御量）Ｓm となり（Ｓm
＝Ｓ−Ｓo ）、ステッピングモータに駆動ステップ数Ｓ
m に対応する制御信号を出力してステッピングモータを
目標ステップ位置Ｇs に駆動し、温水弁15の開度を調節
する。

【００１７】次に、一例を挙げて説明すると、サンプリ
ングタイムＨs ＝２分間、設定温度Ｔs ＝26℃、現在室
内温度Ｔhnow＝23.8℃、前回室内温度Ｔhold＝21.7℃と
すると、温度差fp（ｔ）＝＋4.2 度、室内温度変化率fd
（ｔ）＝＋2.1 度となる。図２から温度差fp（ｔ）＝＋
4.2 度のメンバーシップ値（温度差ファジーデータ）
は、ＮＢ（＋4.2 ）＝ＮＭ（＋4.2 ）＝ＺＯ（＋4.2 ）
＝ＰＭ（＋4.2 ）＝０、ＰＢ（＋4.2 ）＝１が得られ
る。また、図３から室内温度変化率fd（ｔ）＝＋2.1 度
のメンバーシップ値は、室内温度変化率ファジーデータ
として、Ｎ（＋2.1 ）＝ＺＯ（＋2.1 ）＝０、Ｐ（＋2.
1 ）＝１が得られる。

【００１８】上記温度差ファジーデータ及び室内温度変
化率ファジーデータの全てに対し、図４の制御ルールを
参照してmin.演算すると次の値が得られる。 Ｒ１：ＮＭ＝０ Ｒ２：ＺＯ＝０ Ｒ３：ＰＭ＝０ Ｒ４：ＰＢ＝０ Ｒ５：ＰＢ＝０ Ｒ６：ＮＢ＝０ Ｒ７：ＮＭ＝０ Ｒ８：ＺＯ＝０ Ｒ９：ＰＭ＝０ Ｒ10：ＰＢ＝０ Ｒ11：ＮＢ＝０ Ｒ12：ＮＢ＝０ Ｒ13：ＮＭ＝０ Ｒ14：ＮＭ＝０ Ｒ15：ＰＭ＝1.0 max.演算した出力メンバーシップ合成値は、 ＮＢ＝ＮＭ＝ＺＯ＝ＰＢ＝０、ＰＭ＝1.0 となる。

【００１９】次に上述の一点化演算を行うと、α＝−1
2、β＝−６、γ＝０、δ＝＋６、ε＝＋12、ａ＝ｂ＝
ｃ＝ｅ＝０、ｄ＝1.0 であるから、 Ｇ＝（−12×０−６×０＋０×０＋６×1.0 ＋12×０）
／（０＋０＋０＋０＋1.0 ）＝＋６ となり、ステップ位置の制御量Ｇ＝＋６を前回（現在）
のステップ位置Ｇo に加算し、例えばＧo ＝20とすれ
ば、目標ステップ位置Ｇs はＧs ＝Ｇo ＋Ｇ＝26とな
り、目標ステップ数Ｓm は、Ｓm ＝Ｓ−Ｓo ＝2630−22
60＝400 が得られる。即ち、温水弁15のステッピングモ
ータが駆動ステップ数Ｓm ＝400 だけ正方向に駆動さ
れ、温水循環量を増大させる。次に、前回室内温度Ｔho
ld＝21.7℃が得られた時に設定されて駆動された温水弁
15が保持されている実ステップ位置Ｇo に対応する実ス
テップ数Ｓo との差を駆動ステップ数Ｓm として求め
る。例えば、実ステップ数Ｓo ＝12,250（Ｇo ＝＋６）
であれば、駆動ステップ数Ｓm ＝０となり、温水弁15の
ステッピングモータは駆動されず、開度は最大開度がそ
のまま保持される。また、実ステップ数Ｓo ＝11,000
（Ｇo ＝＋４）であれば、駆動ステップ数Ｓm ＝12,250
−11,000＝1,250 となって温水弁15のステッピングモー
タが駆動ステップ数Ｓm ＝1,250 だけ駆動され、温水循
環量を増大させる。

【００２０】なお、上記実施例においては、隣合った２
個のステップ位置の間のステップ数の差を全ステップ位
置にわたって均一としているが、温水弁の流量特性がリ
ニアでない場合は、温水弁固有の流量−ステップ位置特
性に応じて、、隣合った２個のステップ位置の間のステ
ップ数の差を変化させることによってステップ位置１段
毎の変化に基づく流量の変化を全体的に均一化した温水
弁（流量制御弁）開度テーブルを用いれば良い。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、上述のとおり構成されている
から次に述べる効果を奏する。ステップ位置とステップ
数とで温水弁特性テーブルを形成しているから、温水弁
の特性に応じてテーブルを変更することにより、種々の
温水弁を空気調和制御にマッチングさせることができる
とともに、温水弁の特性に応じた温水弁特性テーブルを
定めるだけで弁位置にかかわらず適正な制御を行うこと
ができる。さらに、温水弁の流量特性とは無関係に、空
気調和制御のチューニングを行うことができるから、温
水弁を変更する際の再チューニングが不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るファジー制御のフローチャート
（アルゴリズム）である。

【図２】 本発明に係る設定温度と現在室内温度との温
度差に対するファジーデータのメンバーシップ関数であ
る。

【図３】 本発明に係る室内温度変化率に対するファジ
ーデータのメンバーシップ関数である。

【図４】 本発明に係る制御ルールのマトリックスであ
る。

【図５】 本発明に係る出力メンバーシップ関数であ
る。

【図６】 本発明に係る温水弁特性テーブルの一例であ
る。

【図７】 本発明を適用する空気調和機の一例を示す概
略構成図である。

【符号の説明】

１ 室内ユニット、２ 冷房用熱交換器（蒸発器）、３
暖房用熱交換器 ４ 室内ファン、５ ドレンパン、６ 室外ユニット、
７ コンプレッサ ８ 凝縮器、９ キャピラリチューブ（膨張装置）、10
冷媒配管 11 室外ファン、12 温水熱源機、13 水加熱用熱交換
器、14 循環ポンプ 15 流量制御弁（温水弁）、16 温水配管、17 制御装
置 18 室内温度検知装置、19 設定装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温水弁を有する温水暖房回路を備え、温
   水暖房回路運転時に室内温度に応じて温水弁の開度を調
   節する空気調和機において、設定温度と室内温度との温
   度差及び室内温度変化率とを検出し、検出された温度差
   及び室内温度変化率に基づいてファジー推論演算により
   テーブルアドレスを算出し、該テーブルアドレスに基づ
   き、予めテーブルアドレスに対する温水弁制御量を設定
   した温水弁特性テーブルにより温水弁の制御量を求める
   ことを特徴とする空気調和機用温水弁の制御方法。