JPH0662053B2

JPH0662053B2 - 自動車用空調装置の制御方法

Info

Publication number: JPH0662053B2
Application number: JP59220769A
Authority: JP
Inventors: 克雅松井; 勝廣大羽; 亨筧
Original assignee: 日本電装株式会社
Priority date: 1984-10-19
Filing date: 1984-10-19
Publication date: 1994-08-17
Anticipated expiration: 2009-08-17
Also published as: JPS6198606A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は自動車の車室内の空気温度を、設定温度と測定
温度との温度偏差に基づいてフィードバック制御する自
動車用空調装置の制御方法に関する。

［従来の技術］第２図を流用してこの種の自動車用空調装置の一般的な
構成を示す。空調ユニット３内においてブロワモータ１
を回転させることにより、吸込口切替ダンパ２によって
選択された外気および／または内気が、空調ユニット３
の中に入り、エバポレータ４での熱交換により冷却され
る。そして、空調ユニット３ではさらにエアミックスダ
ンパ５によりヒータコア６で加熱される空気とバイパス
される空気とに分配され、その際に分配比率が調整さ
れ、分配された空気は車室内に放出される前に混合さ
れ、吹出口切替ダンパ７によって選択された吹出口から
車室内に吹き出される。

制御ユニット８は、温度設定スイッチ９によって昇降設
定された設定温度、日射センサ１０で検出された日射
量、外気センサ１１で検出された外気温度、および内気
センサ１２で検出された内気温度に応じ、さらに２つの
熱交換器４、６の熱交換能力を測定する温度センサ１
５、１８から検出温度に応じて、内気温度を設定温度に
接近させ維持させるに必要なエアミックスダンパ５の位
置を演算し、その演算結果に対応してエアミックスダン
パ５の実際の位置が変位するように、位置センサ１３の
検出信号を参照してアクチュエータ１４の駆動を制御す
る。

さらに制御ユニット８は、エアミックスダンパ５の位置
と関連を持って車室内への放出熱量が安定かつ適切に制
御されるように、空調ユニット３および周辺機器の動作
を制御する。制御ユニット８によって制御される機器に
は、必要に応じて次のものが含まれる。すなわち、ブロ
ワモータ１による空気流量、エバポレータ４の冷却効果
を加減するためのコンプレッサ１６の断続および／また
は冷媒吐出容量、ヒータコア６の加熱効果を加減するた
めのウォーターバルブ１７の断続、さらには吹出口切替
ダンパ７の切替位置、などである。

このような制御方法は、特開昭５５−４７９１４号公報
あるいは特開昭５５−７７６５９号公報等に例示されて
いる。

［発明が解決しようとする問題点］上述した従来装置は、内気温度が設定温度に接近され維
持されるように、内気温度、設定温度、外気温度、さら
には日射量を考慮して予め設定した熱的平衡条件を満足
するように設定した予測制御を採用したものである。

そのため、設定温度を変化させたときや種々の熱負荷外
乱が加わったときは、過渡的応答が悪いという問題点が
あった。また、他の制御入力を加えて制御性を高めるこ
とも難しいことであった。

本発明は上述した問題点の解消された自動車用空調装置
の制御方法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明における制御対象は自動車用空調装置であり、現
代制御にいう動的な温度モデルであるダイナミックモデ
ルを持っている。そして、このモデルの動的な内部状態
は現代制御にいう状態変数量で表される。

この制御対象には所定の制御パラメータをもつ制御入力
が付与され、所望の車室内温度である制御出力が得られ
るようになっている。制御パラメータは、吹出空気流
量、吹出空気温度、冷媒吐出容量のうち少なくとも１つ
からなる。

そして、オブザーバと呼ばれる制御部分によって、空調
装置に付与する制御入力である制御パラメータと、車室
内温度と、およびフィードバックゲインとから、この空
調装置のダイナミックな内部状態を表す所定次数の状態
変数量を推定する。

状態変数量は、現代制御において、現在の出力が過去の
入力に依存する動的システムにおいて過去の入力の影響
を記憶し、この過去の影響を考慮した値であり、制御系
における未来の影響を予測する情報が含まれている。

累積器と呼ばれる制御部分では、設定温度と車室内温度
との偏差を積分または累積した累計和が求められる。

フィードバックゲイン付与器と呼ばれる制御部分では、
前記状態変数量と前記累計和とから、制御対象に与える
制御入力を演算する。

［実施例］本発明が適用された制御装置は、その全体構成を第１図
のように示すことができる。２０は概して空調装置と呼
ぶ制御対象であり、本発明において制御対象２０は第２
図に例示するような空調ユニット３と周辺機器、さらに
車室をも含むことができる。

制御対象２０には、制御入力Ｕｋが付与され、制御出力
Ｙｋが得られる。例えば制御入力Ｕｋは、制御パラメー
タとして、空調装置の吹出空気流量（風量）を調整する
ためのブロワモータ（第２図１参照）の印加電圧Ｕ１ｋ
と、吹出空気温度を調整するためのエアミックスダンパ
（第２図５参照）の位置を決定するアクチュエータ（第
２図１４参照）の駆動量Ｕ２ｋと、エバポレータ（第２
図４参照）の冷却効果を調整するコンプレッサ（第２図
１６）の冷媒吐出容量Ｕ３ｋとを含むものとする。また
制御出力Ｙｋは車室内の実際の空気温度であるものとす
る。

２１は制御対象２０のダイナミックモデルを記憶してい
て、上記４つの制御入出力情報から制御対象２０のダイ
ナミックな内部状態を推定するオブザーバであり、その
結果として内部状態を代表する状態変数Ｘｋの推定値を計算する。状態変数としては、例えば、冷媒流量、エ
バポレータ（第２図４参照）で熱交換された空気の熱
量、車室に放出される空気の熱量等があげられる。

２２は累積器で、設定温度Ｙ＊ｋと内気温度Ｙｋとの温
度偏差Δｋを積分または累積した累計和Ｚｋを演算す
る。

２３はフィードバックゲイン付与器で、オブザーバ２１
で計算された状態変数量に、最適フィードバックゲインＦをベクトル的に乗算
し、それらを加算したものを制御対象２０へ３つの制御
入力Ｕ１ｋ、Ｕ２ｋ、Ｕ３ｋとしている。

本発明の作用を上述した３入力１出力の制御対象を制御
する場合について説明する。

いまこの制御対象の動的な振る舞いを表わす状態変数モ
デルをＸｎ＝Ａ・Ｘｎ_−１＋Ｂ・Ｕｎ_−１……(1) Ｙｎ＝Ｃ・Ｘｎ_−１……(2) と導く。ここで各量のサブスクリプトｎはある時点を、
またｎ_−１は所定時間前の時点を表わす。Ｕｎ_−１は制
御入力ベクトルで、ある基準設定値から線形近似が成り
立つ範囲での制御対象に加える制御量、すなわち、ブロ
ワモータへの印加電圧Ｕ１ｎ_−１、アクチュエータの駆
動量Ｕ２ｎ_−１、さらに容量設定量Ｕ３ｎ_−１を示す。

またＹｎ_−１は制御出力ベクトルで制御対象の出力を意
味し、内気温度Ｔｒｎ_−１を表わす。Ｘｎ、Ｘｎ_−１は
状態変数ベクトルであり、行列Ａ、Ｂ、Ｃはモデル同定
で求められた定数行列である。

次にオブザーバ２１について説明する。今、(1)、(2)式
を基に次のようなオブザーバを構成する。

ここで、Ｇは任意に与えられる行列で、は制御対象の内部状態Ｘｎの推定値である。(1)〜(3)式
を変形し、とおくと、Ｄｎ＝（Ａ−ＧＣ）Ｄｎ_−１……(4) となり、（Ａ、Ｃ）が検出できる場合、ｎ→∞で、Ｄｎ
→０、つまりとなるようなＧを選ぶことが可能である。従って、内部
状態変数量Ｘｎを入力Ｕ（＊）と出力Ｙ（＊）とから推
定することができる。ただし、Ｕ（＊）、Ｙ（＊）はＵ
ｎ、Ｙｎの過去からの系列を示す。

このようにして推定された状態変数量と前記累計器２２の出力である累計和Ｚｎを基に制御入
力値を決定し、最適レギュレータ制御を行なう。

一般に最適レギュレータ制御は多変数システムで論じら
れており、その詳細については、伊藤正美、木村英紀、
細江繁幸著「線形制御系の設計理論」その他に説明され
ているので省略する。

さて、状態変数モデル(1)、(2)式に加えて、偏差Δｎの
総和Ｚｎを考慮したシステムを検討する。

即ち、Ｚｎ＝Ｚｎ_−１＋Ｔ・Δｎ_−１……(5) Δｎ_−１＝Ｙｎ_−１−Ｙ＊ｎ_−１……(6) ただし、Ｔはサンプリング期間、Ｙ＊ｎ_−１は所定時間
前のサンプリングにおける設定温度を示す。よって拡大
されたシステムは次のように表される。

今、［Ｘ^Ｔｎ、Ｘｎ］^Ｔを新しい状態ベクトルとし（Ｔ
は行列の転置を示す）、また評価関数Ｊをとする。ここで、Ｑ_１、Ｒは重みパラメータ行列、Ｑ_２
はスカラーパラメータ、ｋは制御開始点を０とするサン
プル回数である。この(7)、(8)式を基に評価関数Ｊ（Ｕ
ｋ）を最小にするＵｋを求めることが最適レギュレータ
制御を実現することに相当する。

その結果、(8)式の評価関数Ｊを最小にする最適制御入
力Ｕｋは、と求められる。ここでＦは最適ゲインで行列であり、ま
たπはのリカッチ方程式の解である。

(8)式の評価関数Ｊ（Ｕｋ）の意味は、制御入力Ｕ
（＊）の動きを制約しつつ、制御出力Ｙ（＊）である内
気温度を設定温度に接近させ維持させる意図のもので、
その制約の重みは、重みパラメータ行列Ｑ_１、Ｑ_２、Ｒ
で変えることができる。従って、これらを適当な値に選
択し、制御対象である空調装置のダイナミックモデル
（状態変数モデル）を用い、（１１）式を解いた結果の
πを用いて予め計算した(9)式の最適フィードバックゲ
イン行列Ｆをオブザーバ２１に記憶しておき、内気温度
Ｙｋと設定温度Ｙ＊ｋの偏差の累計和Ｚｋ、および推定
された状態変数から(9)式によって最適制御入力値Ｕｋ（＊）を決定す
ることができる。

また前記のように、状態変数の推定値を求めるには、行列の値を予め記憶しておき、次の計算式により算出すれば
よい。

ところで、空調装置は一つの構成要素の状態が変化する
ことによってダイナミクスが大幅に変化することがしば
しばあり、例えばヒータコア（第２図６参照）を流れる
熱媒体が通常用いられる機関冷却水であるときに、その
温度が６０℃のときに設定されたダミナミックモデルで
は、１０℃のときには最適な制御を行うことが困難であ
る。

従って、制御対象２０のダイナミクスが変化したことを
検知するパラメータとして、例えば機関冷却水温度を採
用するものとし、そのパラメータが種々の値をとるごと
にダイナミックモデルを予め設定しておき、そのパラメ
ータの検知値に応じて記憶されたダイナミックモデルを
切り換えて用いる。この場合、最適ゲインＦ並びにオブ
ザーバ２１の行列パラメータを、それぞれの条件に応じて切り換えるものとする。

また、日射のように持続して制御対象に加わる外乱に対
しても、同様にダイナミックモデルの切り換えで制御す
る。

ダイナミックモデルの切り換えに際しては、推定された
状態変数値が真の値と大きく異なることが生じるのを防止するため
に、切り換え判定のためにパラメータを基準値と比較す
る際にヒステリシスを付与するとともに、そのヒステリ
シスの幅を予め設定したサンプリング期間の整数倍とす
ることで、切り換えの際に発振が生じるおそれを抑制す
ることができる。

以上第１図を参照して説明した制御装置の構成は、第２
図に示す自動車空調装置の電気制御装置として適用する
ことができる。制御対象２０は第１図に示す構成におい
て、吹出空気温度および流量を調整するための要素とし
て空調ユニット３およびその構成機器と周辺機器を含
み、さらに車室自体を含む。第１図におけるオブザーバ
２１、累計器２２、フィードバックゲイン設定器２３、
および偏差抽出用の比較器２４は、制御ユニット８に内
蔵される。

制御ユニット８は、かかるオブザーバ２１、累計器２
２、フィードバックゲイン設定器２３および比較器２４
を、制御プログラムとして有するマイクロコンピュータ
を用いて構成される。マイクロコンピュータは上述した
計算手順およびその実行のために予め記憶すべきデータ
を、内蔵した不揮発性メモリに設定記憶したものであ
る。

第３図はかかる制御プログラムの主要部分を示すもの
で、プログラムのステップ３０では、センサ１０、１８
によって検出される日射量および機関冷却水温度に従っ
て、対応するダイナミックモデルとフィードバックゲイ
ンとを選択する。次いでステップ３１では、内気温度Ｙｋ
−_１（Ｔｒｋ−_１）と設定温度Ｙ＊ｋ−_１（ＴＰｋ
−_１）との偏差Δｋを計算する。さらにステップ３２
で、制御ユニット８が作動を開始してから所定時間前ま
での偏差の累計値Ｚｋを計算する。

ステップ３３において、所定時間前のサンプリング時点
で推定された状態変数量Ｚ１ｋ−_１〜Ｚ４ｋ−_１と、同
時点の制御入力値Ｕ１ｋ−_１〜Ｕ３ｋ−_１と、さらに制
御出力値Ｙｋ−_１とを重みづけ加算して、Ｘ１ｋ〜Ｘ４
ｋを計算する。次いでステップ３４では、ステップ３３
で算出された結果と最新の制御出力値Ｙｋとより、状態
変数量を推定する。このようにして算出された状態変数量と偏差累計値Ｚｋに、最適フィードバックゲインＦを乗
じて加算し、新しい制御入力値Ｕ１ｋ〜Ｕ３ｋを計算す
る。

かくして算出された制御対象（２０）への制御入力は、
図示しない出力プログラムによって、空調装置の周辺機
器の駆動回路に出力され、空調装置の作動を調整させ
る。

上記の如く本発明の構成では、多入力多出力のシステム
を最適に制御することができる。

例えば、エアミックスダンパ５により分配される空気流
量による吹出空気温度と、エバポレータ４の冷却効果を
加減するコンプレッサ１６での冷媒吐出容量との２つの
制御入力を制御することができるので、同じ温度に制御
する際にもエアミックスダンパ５の開度とエバポレータ
４での冷却効果との兼ね合いを考慮して制御することが
できる。

従って、空調装置の動力源であるエンジンに対する負担
を最少にすることが可能であり、その結果燃料消費量を
最少にすることができる。

［発明の効果］本発明によれば、制御入力である制御パラメータと制御
出力である車室内温度とより空調装置のダイナミックな
内部状態の状態変数量を推定し、この推定された状態変
数量と、温度偏差の積分または累積した累積和と、予め
設定されたフィードバックゲインとに基づき制御入力で
ある制御パラメータを演算する。

従来のＰＩＤ制御によるフィードバック制御では、実際
に出力された出力値と目標出力値との差に基づきフィー
ドバック制御しているが、本発明の構成によれば、状態
変数量に動的な内部状態の過去の影響度を考慮した制御
系の未来の影響を予測する情報が含まれているので、吹
出温度を制御する動的なモデルが制御入力である制御パ
ラメータに従って、どう振る舞うかという制御系の動的
なモデルが明らかになる。

従って、上記の如く演算された制御パラメータによれ
ば、動的なモデルの動特性に基づいた制御が可能となる
ので、従来のものと比べて著しく応答性が良く、また、
安定性の良い制御をすることができるという優れた効果
を持つ。

上記の制御方法は、車両用の空調装置に用いられるもの
であり、日射量や車速、走行場所の変化により熱負荷が
急激に変化して、これらの外乱要素の影響を受け易い環
境にある。例えば、車室内温度を設定温度に近づける時
に、従来の如くＰＩＤ制御により実際の出力値と目標出
力値との差のみに基づいて制御していると応答遅れをお
こしたり、外乱の変化によりハンチングを起こしたりす
る。

しかしながら、本発明の方法では制御系の未来の影響を
予測する情報を含んだ状態変数量にて制御が可能となる
ので、日射量や車速、走行場所の変化により熱負荷が急
激に変化した時にも応答遅れやハンチングの無い応答性
および安定性に優れた制御ができる。

また、従来のＰＩＤ制御によるものでは、１入力１出力
の制御しかできない。このＰＩＤ制御により多入力多出
力の制御を行うには、入出力間の相互干渉を取り除き、
入力と出力との間に完全に１対１の対応をつけ、複数の
１入力１出力の制御の集合として制御する方法しかな
い。よって、相互間の干渉を考慮せずに各々独立して制
御することしかできない。

しかしながら、本発明の構成では、制御入力である制御
パラメータを複数個とすることができ、この複数個の制
御パラメータ全てに基づいて状態変数量を推定すること
ができるので相互関係を考慮した制御を行うことができ
る。従って、全ての入力値の干渉を考慮した制御が可能
であるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した自動車用空調装置の制御装置
を概念的に示す全体構成図、第２図は本発明が適用され
る自動車用空調装置の全体構成図、第３図は第２図中制
御ユニットに含まれるマイクロコンピュータの制御プロ
グラムを示すフローチャートである。１……ブロワモータ、３……空調ユニット、４……エバ
ポレータ、５……エアミックスダンパ、６……ヒータコ
ア、８……制御ユニット、９……温度設定器、１０……
日射センサ、１２……内気温度センサ、１８……機関冷
却水温度センサ、２０……制御対象、２１……オブザー
バ、２２……累計器、２３……フィードバックゲイン設
定器、２４……比較器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自動車の車室内の空気温度が設定温度とな
るように、車室内への吹出空気に関する制御入力をフィ
ードバック制御する自動車用空調装置の制御方法であっ
て、この空調装置が車室内へ吹出す吹出空気流量と吹出空気
温度と冷房用冷凍サイクルの冷媒吐出容量のうち少なく
とも１つからなる制御パラメータを、前記空調装置に付
与する前記制御入力として設定し、前記制御パラメータと車室内温度とから、前記空調装置
の動的な温度モデルの内部状態を表す所定次数の状態変
数量を推定し、前記設定温度と前記車室内温度との偏差を積分または累
積した累積和を算出し、前記推定された状態変数量と、前記偏差の累積和と、前
記動的な温度モデルに基づいて予め設定されたフィード
バックゲインとに基づいて前記制御パラメータを演算す
る自動車用空調装置の制御方法。