JPH11126101A - 流量制御装置用の改良された適合流量制御器 - Google Patents

流量制御装置用の改良された適合流量制御器

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JPH11126101A
JPH11126101A JP10187632A JP18763298A JPH11126101A JP H11126101 A JPH11126101 A JP H11126101A JP 10187632 A JP10187632 A JP 10187632A JP 18763298 A JP18763298 A JP 18763298A JP H11126101 A JPH11126101 A JP H11126101A
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signal
controller
flow
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flow rate
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JP10187632A
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English (en)
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Clifford C Federspiel
シー． フェダースピール クリフォード
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Johnson Service Co
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Johnson Service Co
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    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/0205—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric not using a model or a simulator of the controlled system
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • F24F11/00—Control or safety arrangements
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • G05D7/0635—Control of flow characterised by the use of electric means specially adapted for fluid materials characterised by the type of regulator means by action on throttling means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/70—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof
    • F24F11/72—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the supply of treated air, e.g. its pressure
    • F24F11/74—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the supply of treated air, e.g. its pressure for controlling air flow rate or air velocity

Abstract

(57)【要約】 【課題】 環境制御システムで利用されるダンパ装置を
位置決め、または空気装置を制御する適合風量制御装置
を提供すること。 【解決方法】 制御装置は一定の利得、比例専用帰還設
計に基づき、バルブやダンパを通る空気流の非線形特性
の安定動作を提供する。非線形の時間に依存するデッド
領域が計測ノイズを除去するために使用される。この非
線形デッド領域は制御システムの性能を調整するための
種々の動作モード間に制御システムを切替可能な適応的
に計算された比例定数により調整される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本出願は、現在継続中の、１
９９５年５月２４日出願された米国出願番号第０８／４
４８，６８１号の一部継続出願である。この特許出願書
類の開示物の一部には著作権保護の対象になるものを含
んでいる。米国特許商標局の特許ファイルまたは記録に
掲載され、そうでなくても著作権の何れかに留保されて
いるので、著作権保護者は特許開示物のいずれかによる
ファクシミリの複製物に異議はない。本発明は環境制御
システム用の風量制御装置に関する。特に、本発明は環
境制御システムに利用されるダンパ装置を位置決めまた
は空気装置を制御する適合制御装置に関する。
【０００２】
【従来技術】環境制御網、設備管理システム、ダンパシ
ステムはオフィスビルディング、製造工場および施設の
内部環境を制御するための機器類に利用されている。例
えば、暖房換気空調（ＨＶＡＣ）システムにおいて、制
御空気装置（例えば、可変空気量（ＶＡＶ）ボックス、
一体装置（ＵＮＴ）またはダンパ）施設全体に配置さ
れ、環境的に制御された空気を施設の内部環境に送出す
る。この制御された空気は特定の温度または湿度で送ら
れて、快適な内部環境が作られる。制御された空気の空
気流速は毎分立方フィート（ＣＦＭ）で好ましく計測さ
れる。
【０００３】ＶＡＶボックスは制御された空気をダクト
機構を介してＶＡＶボックスに供給する空気源に結合さ
れる。ダンパは内部環境に与えられた制御された空気量
を制御する。ダンパはダンパを好ましく位置決めするア
クチュエータに結合され、（毎分立方フィートの）適切
な空気量が内部環境に送られる。
【０００４】制御器は一般的に少なくとも一つのアクチ
ュエータとダンパに付随している。制御器は内部環境の
空気流量と温度に関する情報を受信し、アクチュエータ
を適切に位置決めして、適切な風量が内部環境に送られ
る。この制御器は比例積分（ＰＩ）制御アルゴリズムの
ような高度な帰還機構を備えることができる。この高度
な帰還機構によりアクチュエータをより精度良く位置決
めすることが可能である。
【０００５】特に、制御器は一般的にアクチュエータを
位置決めする流量制御装置を含むので、ダンパが所望の
風量を与える。流量制御装置はダンパ間の実際の空気流
量を測定し、所望の空気量が制御空気装置により与えら
れるまでアクチュエータの位置を調整する。このような
装置において、流量制御装置の性能（例えば、システム
ダンパの位置の精度）は信頼性、エネルギー効率および
ＨＡＶＡＣシステム及び制御空気装置の全性能に対して
重要である。流量制御が良好でないと温度制御性能の低
下、制御空気装置の効率の低下、および空気装置に関連
するアクチュエータおよびダンパシステムの初期の機械
的な故障につながる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】これまで、ＨＶＡＣシ
ステムにおける流量制御システムまたは流量制御器はＶ
ＡＶボックスのような制御空気装置に伴う固有の非線形
特性および計測ノイズに起因して遅い応答かつ低外乱阻
止能力になる傾向がある。実際の空気流量の測定は乱流
により大いに影響される。更に、摩擦、ヒステリシス、
および流速とダンパ位置間の非線形関係がダンパシステ
ムの制御を複雑にしている。これらの問題を解決する従
来の解決法はダンパに比例(Ｐ)、比例積分（ＰＩ）また
は比例積分導関数（ＰＩＤ）位置決めアルゴリズムを使
用することである。
【０００７】緩慢で振動挙動を生じにくい流量制御器の
需要がある。さらに、低デューティサイクルを有し、受
容可能な設定追跡動作を提供する流量制御器の需要があ
る。さらに、設定追跡性能を適合的に制御する二つ以上
の動作モード間の前後にすばやく切り替え可能な流量制
御器を提供することが望まれる。
【０００８】本発明の目的は空気流を環境に提供する空
気装置を含む環境制御システムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】空気装置が流量設定信号
に従って空気流量を制御する制御器と関連して動作す
る。この制御器は流量センサおよびプロセッサを有す
る。流量センサは空気装置により与え得られた空気流に
露出され、環境に与えられた空気流量（風量）を表す流
量信号を発生する。プロセッサは流量センサに接続さ
れ、流量信号を周期的に受信し、かつ流量信号と流量設
定信号に応答して制御器出力信号を発生するように構成
されている。一実施例では、制御器出力は空気装置に入
力され、ダンパを流量設定信号に相当する位置に移動さ
せる。プロセッサは設定誤差信号と非線形のデッド領域
に従って制御器出力信号を計算する。非線形のデッド領
域は流量信号の標準偏差に従って計算される。
【００１０】本発明はアクチュエータに関連して動作す
るダンパを有する空気ダクトを有する環境制御システム
に使用する制御器に関する。アクチュエータはダンパを
位置決めし、ダンパがアクチュエータの制御信号に応答
して環境に対して空気流量速を提供する。アクチュエー
タ制御信号は空気流速を表し、制御器に動作可能に接続
される。制御器はセンサ手段とプロセッサ手段を有す
る。センサ手段は実際の流量信号を発生する。プロセッ
サ手段はセンサ手段に接続され、センサ手段から実際の
流量信号を周期的に受信し、実際の流量信号に応答して
アクチュエータ制御信号を周期的に発生する。アクチュ
エータはダンパ間の空気流速の為の所望の流速に関係し
ている。プロセッサ手段は設定誤差信号と非線形のデッ
ド領域に従ってアクチュエータ制御信号を計算する。非
線形のデッド領域は実際の流量信号の標準偏差に従って
計算される。
【００１１】本発明は流量を提供するダンパまたはバル
ブのような装置と、制御器出力信号を提供する制御器
と、実際の流量信号を提供する流量センサを含む制御シ
ステムに関する。この流量提供装置は制御器と関連して
動作し、制御器出力信号に従って流量を制御する。流量
センサは流量提供装置により与えられた流れに露出さ
れ、空気流量を表す実際の流量信号を発生する。流量提
供手段により与えられる流量を制御する方法は流量セン
サからの実際の流量信号を受信し、流量設定信号と実際
の流量信号に基づいて、設定誤差信号を決定し、所望の
動作モードを決定し、比例定数を計算し、実際の流量信
号の標準偏差に従って非線形のデッド領域を計算し、制
御器出力信号を増大させるために非線形のデッド領域を
設定誤差信号に適用し、制御器出力信号を流量提供装置
に与える工程から成る。
【００１２】変形実施例において、プロセッサは流量設
定信号に関連した一組の条件に応答して制御器を第１動
作モードまたは第２動作モードに切り替える。第１動作
モードはデフォルトモードである。プロセッサは第１の
所定の定数から第２の所定の定数に段階的に比例定数を
変化させ、設定誤差信号の変化を密接に追跡するための
設定信号の所定の変化に応答して第１動作モードから第
２動作モードへ環境制御システムを瞬時に切り替える。
さらに、プロセッサは第２の所定の定数から第１の所定
定数へ比例定数を指数関数的に変化させて、設定誤差信
号変化を正常に追跡するための流量信号の所定の変化に
応答して、第２動作モードから第１動作モードへ環境制
御システムを徐々に切り替えることが可能である。非線
形のデッド領域はアクチュエータ制御信号の微調整を弱
めるように作用し、それによりアクチュエータのデュー
ティサイクルを減少させる。
【００１３】本発明の流量制御器は演算処理を減らし、
調整を必要としない利点を有する。本発明の別の態様で
は、流量制御器は非線形のデッド領域を受信するメモリ
に接続され、各サイクル後に非線形データのデッド領域
を再計算する。流量制御器は好ましくはソフトウエアプ
ログラムで実行される。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、本発明は環境
制御網即ちシステム１０で利用される。本発明はＨＶＡ
Ｃ環境で使用するために下記に記載されるので、本発明
の流量制御器はどのような流体の用途にも利用できる。
例えば、本発明の流量制御器は石油または化学処理産業
で使用されるシステムのような液体供給システム、また
は食品準備、原料処理プラントや、原料の制御された流
れを利用する産業のような他のフロー用途で使用可能で
ある。
【００１５】環境制御システム１０はワークステーショ
ン１２、ステーション１４および１６、制御器２０およ
び２４、および制御器またはモジュール３０を有する。
制御器２０、２４およびモジュール３０は通信バス３２
を介してステーション１４に接続される。ワークステー
ション１２、ステーション１４および１６は通信バス１
８を介して共通に結合される。ステーション１６はさら
に共通バス１７に結合される。通信バス１７は追加の区
画または追加の制御器に、さらに環境制御システム１０
に利用された他のコンポーネントに接続できる。
【００１６】好ましくは、環境制御システム１０はＶＡ
Ｖボックス３８および４０とともに使用するためのJohn
son Controls, Inc.(JCI)社により製造されたMetasys
（商標）システムのような施設管理システムである。ま
た、システム１０は屋上ユニットまたは他のダンパ装置
を有する一体型装置である。ステーション１４及び１６
は好ましくはJCI社により製造されたNCUステーションで
あり、制御器２０及び２４はJCI社により製造されたＶ
ＡＶ100-0（商標）ユニットまたは従来技術で知られて
いる他の制御器である。制御器またはモジュール３０
は、好ましくは、システム１０に強制空気を提供する空
気ハンドラ（図示せず）の動作をモニタし作用させるた
めのJCI社で製造されたAHU120-0（商標）装置のような
空気ハンドラ制御装置(AHU)である。
【００１７】通信バス１７および３２は好ましくはより
対線からなるN２バスであり、通信バス１８はハイレベ
ル通信用のLAN(Ni)である。バス１８はARCNET（商標）
またはEthernetプロトコルを使用している高速バスであ
る。ワークステーション１２とステーション１４と１６
はEthernetまたはARCNET通信ハードウエアを含む。バス
１７と３２はRS４８５プロトコルを利用している。制御
器２０と２４、モジュール３０、ステーション１４と１
６はRS４８５通信ハードウエアを含む。好ましくは、制
御器２０と２４、ステーション１４と１６、ワークステ
ーション１２はバス１７、１８、３２上でデータとメッ
セージを送受する通信ソフトウエアを含んでいる。
【００１８】制御器２０はＶＡＶボックス３８のような
制御空気装置と関連して動作し、制御器２４はＶＡＶボ
ックス４０のような制御空気装置と関連して動作する。
制御器２０はステーション１４と通信バス１８および通
信バス３２を介してワークステーション１２と通信す
る。好ましくは、ステーション１４は通信バス１８に対
する通信バス３２上のデータを多重化する。ステーショ
ン１４は通信バス３２上のデータを受信し、データを通
信バス３２に出力し、通信バス１８上のデータを受信
し、データを通信バス３２に出力するように動作する。
ステーション１４は好ましくは環境制御システム１０に
役立つ他の機能を持つことができる。ワークステーショ
ン１２は好ましくはＰC/ATコンピュータであるが、これ
に制限されることなく、通信バス１８に結合された携帯
コンピュータであってもよい。
【００１９】図２を参照して制御器２０とＶＡＶボック
ス３８がより詳細に以下に説明される。制御器２０は好
ましくは通信バス３２（図１）に結合された通信ポート
３４を含む直接デジタル制御器（ＤＤＣ）である。制御
器２０は好ましくは空気量入力部５６、温度入力部５
４、およびアクチュエータ出力部７４を含んでいる。Ｖ
ＡＶボックス３８は空気流６４を扱う暖房または冷房装
置であってもよい。入力部５４と５６は好ましくは制御
器２０内のＡ／Ｄコンバータ（図示せず）により受信さ
れたアナログ入力部である。制御器２０は好ましくは入
力部５４と５６の信号を条件付けし、かつ翻訳するため
の回路とソフトウエアを含む。
【００２０】ＶＡＶ制御ボックス３８は好ましくはダン
パ６８と、空気量（風量）センサ５２と、アクチュエー
タ７２を含む。アクチュエータ７２はダンパ６８を位置
決めし、好ましくはモータで動作するアクチュエータで
ある。多くの制御器がアクチュエータ７２として２重巻
線同期交流モータを使用している。かわりに、アクチュ
エータ７２と制御器２０はステッパモータ、ソレノイ
ド、空気装置またはダンパ６８を制御し位置決めする他
の型の装置であってもよい。アクチュエータ７２は好ま
しくは９０度ストロークに１、２または５．５分のフル
ストローク時間(T stroke）を有するJCI社で製造されたE
DA-２０４０（商標）モータである。
【００２１】ダンパ６８の位置は環境６６に与えられる
空気量６４を制御する。環境６６は好ましくは部屋、広
間、建物、またはそれらの一部または他の内部環境であ
る。空気量センサ５２は好ましくは制御器５８間の空気
量パラメータを空気量入力部５６に提供する。空気流量
パラメータはダンパ６８を介して環境６６に与えられた
空気流量６４を表す。
【００２２】制御器２０はアクチュエータ出力信号を導
体７６を介してアクチュエータ出力部７４からアクチュ
エータ７２に出力する。制御器２０は温度入力部５４の
導体６０間の温度センサ５０から出力された温度信号を
受信する。温度センサ５０は好ましくは環境６６に配置
された抵抗センサである。
【００２３】空気量センサ５２は好ましくは風量(単位
時間当たりの体積、以下CFM風量)に関係するΔＰ係数を
提供する微分圧力（ΔＰ）センサである。CFM風量は以
下の式により計算される。
【式１】 ここで、ΔＰは風量センサ５２からの微分圧力である。
ボックス面積は立方フィートでの流入口供給断面積であ
る。Kは風量のピックアップ利得を表すCFM倍率である。
【００２４】値Kおよびボックス面積値は制御器２０が
初期化されるかＶＡＶボックス３８に接続されると、制
御器２０内のメモリ（図示せず）に蓄積される。ボック
ス面積の値は一般に０．０８から３．１４２平方フィー
トの範囲にあり、K値は一般に０．５８から１３．０８
の間にある。ボックス面積の値とKは制御器２０からワ
ークステーション１２に有利に通信されるので、サービ
スマンがペーパデータシートやファイルからこれらの値
を入手する必要はない。風量センサ５６は好ましくはダ
イアフラム圧力センサである。
【００２５】図１及び図２を参照して、環境制御システ
ム１０の動作が以下に説明される。制御器２０と２４は
周期的に実行される制御アルゴリズムに従ってアクチュ
エータ７２を適切に位置決めするように構成される。ア
ルゴリズムにしたがって、制御器２０は制御器アルゴリ
ズムに依存して、サイクル毎に、好ましくは１．５秒毎
に、または１．０秒毎に、入力部５６で風量信号、入力
部５４で温度信号、ポート３４でバス３２から（もしあ
れば）他のデータを受信する。制御器２０はダンパ６８
を正確に位置決めするためにサイクル毎にアクチュエー
タ出力部７４にアクチュエータ出力信号を入力して、環
境６６が適切に制御される（または加熱され、冷房さ
れ、または条件付けされる）。制御器２０は周期的に風
量信号と温度信号に応答し、内部環境６６を適切に制御
するためにアクチュエータ出力信号を周期的に入力す
る。
【００２６】好ましくは、アクチュエータ出力信号はア
クチュエータ７２を前後に動かしまたは同位置に維持さ
せるパルス幅信号である。制御器２０は内部的にアクチ
ュエータ７２の移動と共にその位置を追跡し続ける。ま
た、アクチュエータ７２はその位置を示す帰還をかけて
も良く、またはアクチュエータ信号がアクチュエータ７
２が移動すべき特定の位置を示してもよい。
【００２７】図３は、本発明の典型的な態様に従った制
御器２０のより詳細なブロック図である。制御器２０は
アクチュエータ出力部７４と結合されたプロセッサ１０
０と、温度入力部５４、風量入力部５６および通信ポー
ト３４を含む。プロセッサ１００は好ましくは８ＯＣ６
５２プロセッサであり、通信ポート３４は通信バス３２
（図１）からなるより対線を使用して結合される。
【００２８】制御器２０はさらにメモリ１０２を含む。
メモリ１０２は、限定されないが、ディスクドライブ
（ハードまたはフロッピ）、RAM, EPROM, EEPROM, フラ
ッシュメモリ、スタティックRAM、または情報を記憶す
る他の装置含む蓄積装置である。好ましくは、メモリ１
０２は風量制御アルゴリズムデータを蓄積するRAMおよ
びEEPROMを含む。メモリ１０２は内部バス１０６を介し
てプロセッサに結合される
【００２９】動作おいて、プロセッサ１００は温度入力
部５６、アクチュエータ出力部７４、および風量入力部
５６で信号を周期的に標本化し、これらの信号を演算処
理する。演算処理により入力部５４および５６と出力部
７４で信号を表すパラメータ値を発生する。
【００３０】図４を参照すると、動的環境１３７におけ
るシステム１０の動作はフロー制御図で示される。制御
器２０はダンパ６８（図２）を位置決めするためにアク
チュエータ出力信号u(t)を発生する流量制御回路１２５
として動作するようにプログラム化される。回路１２５
は折り返し防止フィルタ（アンチエイリアジングフィル
タ）１２８、標本器１３０、制御器誤差回路１３２、制
御出力回路１３４、およびタイマー１３６を含む。
【００３１】風量センサ５２（図２）は連続時間計測信
号z(t)を発生する。流量信号f(t)は環境１３７に対する
風量を表し、n(t)により表示される雑音により典型的に
損なわれる。計測ノイズ信号n(t)と流量信号f(t)の組合
せがセンサ５２により与えられた連続時間計測信号z(t)
により表される。
【００３２】アナログ低域折り返し防止フィルタ１２８
は連続時間計測信号z(t)を受信しフィルタにかけて、標
本器１３０のナイキスト周波数以上の周波数ノイズが拒
絶される。標本器１３０はフィルタにかけられた時間計
測信号z(t)を受信し、k番目の瞬間の流量センサ５２か
ら計測された風量信号を表す離散風量信号z(k)として制
御器誤差回路１３２にフィルタをかけられた信号z(t)を
出力する。制御器誤差回路１３２は標本器１３０から離
散風量信号z(k)を受信し、前回蓄積された風量設定信号
fsp(k)、離散風量信号z(k)、および非線形のデッド領域
に基づいて制御器誤差ec(k)を計算する。
【００３３】制御器出力回路１３４は制御器誤差回路１
３２から制御器誤差信号ec(k)を受信し、所望のパルス
幅τ(k)、最小パルス幅τmin、最大パルスτmax、減衰
率ζ、システム利得gmax、および制御器誤差信号ec(k)
に基づいて、タイマー１３６に対するパルス信号τd(k)
を計算する。パルス幅信号τ(k)はアクチュエータ７２
の位置の変化を表す。タイマー１３６はパルス幅信号τ
(k)を受信し、アクチュエータ出力信号u(t)をアクチュ
エータ７２に出力する（図２）。アクチュエータ７２は
アクチュエータ出力７４からコネクタ７６を介してアク
チュエータ出力信号u(t)を受信し、ダンパ６８の位置を
調整して、環境６６が適正に制御される。
【００３４】流量制御回路１２５の動作を以下により詳
細に論ずる。標本器１３０は連続時間計測信号z(t)を離
散風量信号z(k)に変換する。制御器誤差回路１３２は離
散風量信号z(k)を受信し、制御器誤差信号ec(k)を計算
する。制御器誤差回路１３２はデッド領域回路１３８、
制御器誤差信号回路１４２、および加算器１４４を含
む。加算器１４４は離散風量信号z(k)および流量設定信
号fsp(k)間の差に基づいて設定追跡誤差信号esp(k)を計
算する。流量設定信号fsp(k)はアクチュエータ７２が前
回のサイクルで（所望の流速）移動した位置に関係し、
使用者により入力されるか、システム１０内の制御器ア
ルゴリズムまたは他のハードウエアまたはソフトウエア
成分により計算される。この流量設定信号fsp(k)は温
度、風量（空気量）、他のシステムパラメータに応答し
て計算される。より具体的には、設定追跡誤差信号e
sp(k)は加算器により次式で演算される。
【式２】 デッド領域回路１３８は離散風量信号z(k)を受信し、非
線形のデッド領域を演算する。
【００３５】非線形のデッド領域は離散風量信号z(k)に
おけるノイズの量、変化、および標準偏差に依存する。
メモリ１０２が流量制御回路１２５の前回のサイクルで
計算された非線形のデッド領域を蓄積する限り、デッド
領域は適合的に演算され、設定追跡誤差esp(k)に適合的
に関係する。非線形のデッド領域は回路１３４の選択さ
れたシステム帰還利得gmaxおよび選択された減衰率ζに
依存する。
【００３６】制御誤差信号回路１４２は加算器１４４か
らの設定追跡誤差信号esp(k)およびデッド領域回路１３
８からの非線形デッド領域を受信し、設定追跡誤差信号
esp(k)に非線形デッド領域を適用して制御誤差信号e
c(k)を演算して計測ノイズを除去する。従って、制御器
誤差信号ec(k)は必ずしも設定誤差ではない。設定追跡
誤差信号esp(k)がノイズを除去するために処理された後
制御器誤差信号回路１４２により計算された値である。
このように、使用者は追跡能力とノイズ拒絶との間の兼
ね合いに影響するパラメータを選択することにより流量
制御回路１２５のパラメータを調整できる。
【００３７】制御器出力回路１３４は制御器誤差信号回
路１４２から制御器誤差信号ec(k)を受信し、アクチュ
エータ７２の所望の風量または所望の位置を表す新しい
パルス幅信号τ(k)を発生する。制御器出力回路１３４
は所望のパルス幅回路１５０とパルス幅変調論理回路１
５２を含む。パルス幅回路１５０は制御器誤差信号e
c(k)を受信し、下記の式に基づいて所望のパルス幅τ
d(k)をはじめに演算する。
【式３】 ここで、gmaxは最大システム利得を表す。
【００３８】離散時間積分器はシステム帰還利得が零以
上であり流量制御回路１２５の利得の逆数のほぼ２倍以
下であるときだけ安定している。従って、式５の好まし
い安定範囲は以下のように演算される。
【式４】 ここでkは制御器２０の比例利得である。流量制御器回
路１２５がすべての動作条件で安定であることを補償す
るため、式６に使用されるシステム帰還利得gmaxは時間
可変積分器の最悪（最大）利得から導出される。好まし
くは最悪システム利得gmaxの以下の概算は式５で使用さ
れる。
【式５】 ５の因子はアクチュエータ７２の位置と利得の圧力比の
効果を表す。項fratedはダンパ６８が全開している場合
の最小静圧力（例えば、１インチの水）での流速であ
る。 の因子は実際に遭遇する静圧力が３の因子により公称の
静圧力以上であることを示す。項目Tはアクチュエータ
７２のストローク時間を示す。典型的には、gmaxは５．
７７から１３７１CFM/secの範囲内である。
【００３９】パルス幅変調回路１３４は所望のパルス幅
信号τd(k)を受信し、以下の関係に基づいてパルス信号
τ(k)をタイマー１３６に出力する。
【式６】 ここで、τminは最小パルス幅であり、τmax は最大パ
ルス幅であり、ζは最悪条件での減衰率である。
【００４０】従って、パルス幅変調回路１３４は制御器
誤差信号ec(k)が大きいと、タイマー１３６に最大パル
ス幅τmaxに与え、制御器誤差信号ec(k)が小さいと、タ
イマー１３６に最小パルス幅τminに与え、制御器誤差
信号ec(k)が非常に小さいと、タイマー１３６に０を与
え、所望のパルス幅τd(k)が最小パルス幅τmin以上で
あり最大パルス幅τmax以下またはに等しいと、タイマ
ー１３６に所望のパルス幅τd (k)に与える。図５およ
び式６を参照すると、パルス幅信号τ(k)は制御器誤差
信号ec(k)がτmax点１５４（図５）により示されるよう
に非常に大きいと、最大時間アクチュエータ７２を駆動
する。制御器誤差信号ec(k)が小さいと（例えば、τmin
< |τd(k)|≦τmax）、アクチュエータ７２はτmax点
１５４とτmi n点１５６間のグラフの線形領域で示すよ
うに所望の時間（例えば、τ(k) = τd(k)）駆動され
る。アクチュエータ７２は制御器誤差信号ec(k)がτmin
点１５６に示すようにより小さいと最小時間駆動され
る。
【００４１】制御器誤差回路１３２に関連して前述した
ように、一定速度アクチュエータ７２のような高利得帰
還を有するパルス幅変調装置はアクチュエータ７２の平
均デユーティサイクルの増加になる計測ノイズを受けや
すい。したがって、制御器２０は計測ノイズを拒絶する
ためのいくつかの能力を必要とする。
【００４２】流力制御回路１２５の動作の各サイクル期
間に、計測ノイズを除去するために非線形のデッド領域
が設定追跡誤差信号esp(k)に適用され、制御器誤差信号
ec(k)になる。非線形デッド領域は計測ノイズの振幅に
依存し、受容可能な確率制御器２０は流量信号f(t)が流
量設定信号fsp(k)に正確に等しい時流量信号f(t)を流量
設定信号fsp(k)から離間させるパルス幅切替信号u(t)を
出力する。この確率はpにより示される。非線形のデッ
ド領域は式５及び８によりシステム期間利得gma xおよび
減衰率ζに依存する。
【００４３】図６を参照すると、パルス信号τ(k)と非
線形のデッド領域は設定追跡誤差信号esp (k)に直接効
果を及ぼす。最小設定追跡誤差信号esp(k)によりパルス
が制御出力回路１３４により出力され、非線形デッド領
域、システム利得gmaxおよび減衰率ζに依存する。計測
ノイズが正規に分布し、pの受容値があると仮定する
と、デッド領域回路１３８は好ましくは以下の非線形デ
ッド領域を演算する。
【式７】 ここで、
【式８】 ここで、Zp/2は標準正規分布の上からp/2パーセント点
であり、R(k)は計測ノイズの変化であり、etはパルスが
出力されるような制御器誤差の最小振幅である。パラメ
ータは好ましくは０と１間の任意の数であり、設定追跡
とデューティサイクル間での妥協を得るために使用者に
より指定される。縦続した流れおよび領域温度制御を含
む多くの用途で、pは小さい（例えば、好ましくは０．
０１）。しかしながら、零平衡のようないくつかの応用
例があり、使用者はpをより大きく（例えば、０．２〜
０．３）設定して、最小の定常状態の誤差で早い応答が
得られる。
【００４４】一般に、計測ノイズの変化は時間で変わ
り、制御器２０が動作する場合に見積もる。以下の式は
計測ノイズの変化を概算する。
【式９】 ここで、Wは以下の式で計算されるフィルタ係数を表
す。
【式１０】 ここで、Tはアクチュエータ７２のストローク時間であ
り、tsは標本化間隔である。タイマー１３６はパルス幅
変調論理回路１５２からパルス信号τ(k)を受信し、導
体７６を介してアクチュエータ出力７４から、ダンパ６
８の位置を調整するアクチュエータ７２にアクチュエー
タ出力信号u(t)を出力し、環境６６は適切に制御され
る。１、０、または−１のパルス幅切替信号はそれぞ
れ、アクチュエータ７２のプラス方向の動き、静止状
態、マイナス方向の動きを示し、流量制御回路１２５の
動作の各サイクル期間中タイマー１３６により出力され
る。図４に示されるように、流量制御回路１２５に使用
されるソフトウエアに基づく制御アルゴリズムの周期的
な動作は流量信号f(t)および計測ノイズ信号n(t)に基づ
いて連続時間計測信号z(t)を発生する風量センサ５２に
より再開始する。
【００４５】好ましくは、制御器２０は制御器により実
行されるソフトウエアにより構成される。代表的な制御
器実行ソフトウエアは図７A及び図７Bに示され、図４〜
図７を参照して述べられた動作に制御器２０を構成す
る。このソフトウエアは制御器２０ための基本データの
集合動作および信号演算を示している。また、ハードウ
エア制御回路または他のソフトウエアをアクチュエータ
７２と制御器２０のための非線形のデッド領域、流量設
定信号fsp(k)、アクチュエータ出力信号u(t)を計算する
ために利用してもよい。
【００４６】変形の好ましい実施例では、制御器２０に
より実行されたアルゴリズムは環境制御システム１０を
高度化するために改良された。これらの改良が流量制御
器回路１２５’の部品を開示している図８〜図１０で示
される。アルゴリズムの改良は手動で設定しなければな
らない変数の数を減少させ、これらの手動で設定された
変数を自動的に選択し更新するアルゴリズムにより周期
的に実行される一連の関数に置換する工程を含んでい
る。この改良によりアルゴリズムが制御器２０を設定点
の変化に応答して流量調整をすばやく調整する第１モー
ドまたは流量制御がより緩慢に調整される第２モードに
切り替えることができる。改良されたアルゴリズムはさ
らに流量制御システムに流量制御器２０の制御および動
作をさらに高めるより高いノイズ除去能力を提供する。
アルゴリズムはより大きくより高精度の設定追跡能力与
えて、アクチュエータ７２に対するデューティサイクル
または負荷を減少させるように再設計された。デューテ
ィサイクルはアクチュエータにより要求された動きに関
係しており、アクチュエータはダンパを動かすためにス
テッパモータ、同期モータ、またはソレノイドを含んで
いる。この改良は、流量制御を調整するアクチュエータ
により必要な動きとは反対に、ノイズで生じた変化に応
答してアクチュエータの望まない動作量を減少させて、
アクチュエータ７２の寿命を延ばすことができる。従っ
て、当業者は本発明の変形した好ましい実施例の流量制
御アルゴリズムの改良例により提供された利益を理解す
るであろう。
【００４７】上述したように、前述のアルゴリズムは計
測ノイズの変化の関数である非線形の時間とともに変化
するデッド領域を実行する。このアルゴリズムは高アク
チュエータデューティサイクルがp(p = 0.1-0.5)のより
高い値を選択することにより受容可能である状況で、優
れた設定追跡および外乱拒絶特性を提供する。さらに、
受容可能な設定追跡性能および外乱拒絶性能はp (p =
0.01)のより十分に低い値を選択することにより極端に
低いアクチュエータデューティサイクルで達成可能であ
る。上述のアルゴリズムでは時間と共に変化しない即ち
種々の動作モード間の切替に応答して変化しない比例定
数を手動で設定する。このように、このアルゴリズムは
設定追跡と実際のデューティサイクル間に妥協を与え
る。
【００４８】しかしながら、より高い設定追跡性能およ
び外乱拒絶性能が低アクチュエータのディーティサイク
ルに沿って望ましい状況がある。設定追跡性能を調整す
るために種々の動作モード間に切り替え可能な環境制御
システム１０を提供することが望ましい。従って、本発
明の変形の実施例の目的は、２つのパラメータ間の妥協
点を与えるのでなく、アクチュエータのデューティサイ
クル性能に沿って設定追跡および外乱拒絶性能を適正化
することである。これは値の所定の範囲内で自動的に比
例定数を変更しかつ調整することにより達成される。こ
のような適正化されたアルゴリズムはより効果的な制御
システムに備えて、流量制御アクチュエータ７２に置か
れた動作要求条件を減少させる。
【００４９】記述の好ましい実施例は、流量信号f(t)が
流量設定信号fsp(k)に正確に等しい時制御器２０が流量
設定信号fsp(k)から離れた流量信号f(t)を動かすパルス
幅切替信号u(t)を出力する可能性pの関数として、比例
定数を手動で設定することを要求する。上述したよう
に、比例定数Zp/2は標準正規分布のp/2パーセンテージ
点である。論じたように、Zp/2の好ましい固定値は２．
５８である。
【００５０】変形した好ましい実施例において、比例定
数を自動的に計算しかつ変更する方法が開発された。こ
の実施例において、比例定数はC(k)により表現される。
この方法は流量設定信号fsp(k)の変化後零に等しい比例
定数C(k)を設定し、流速信号f(t)を流速設定信号fsp(k)
を超えてから指数関数を使用して比例定数C(k)を保存設
定に戻す工程を含む。
【００５１】この方法の結果は制御器２０が第１動作モ
ードと第２動作モード間に切替可能であることである。
好ましくは、第１及び第２動作モードが各々保存モード
および積極モードにより決定される。より具体的には、
アルゴリズムは設定追跡を積極的にかつより正確に制御
するために第１モードから第２モードに瞬時に切り替え
る機能を提供する。アルゴリズム内の論理が流量設定信
号fsp(k)の実質的な変化を検出すると、比例定数C(k)が
零に設定され、第１モードまたはデフォルトモードから
第２モードへ瞬時に切り変わる。アルゴリズム論理は流
速信号f(t)が流量設定信号fsp(t)を超えたことを検出す
るので、比例定数C(k)は零から最大値へ、好ましくは、
p = 0.01であると2.58に指数関数的に増大し、たとえ時
間と共に指数関数的に、制御器２０を第２（積極）動作
モードから第１（保存）動作モードに徐々に変化する。
アルゴリズムは流量設定信号fsp(t)の実質的な変化が検
出されるまで第１（保存）動作モードを維持する。比例
定数C(k)のこの指数的な変化は図１０に示され、軸２２
０は比例定数範囲を示し、軸２２２は離散時間を示す。
図１０はさらに第１動作モード２２４と第２動作モード
２２６を表すグラフ上で代表的な範囲を例示している。
自動モード切替を実行するために比例定数C(k)の調整に
関連したアルゴリズムと関数は以下に詳細に述べられ
る。この改良により得られるアルゴリズムにたいする利
点はより速い制御器応答時間と、少ないアクチュエータ
の動作、より少ないアクチュエータの開始および停止、
および使用者インターフェースの簡略化である。比例定
数C(k)がアルゴリズム内で手動で設定されないのでこの
ような簡略化が達成される。
【００５２】制御アルゴリズムの設計はシステムの挙動
および所望の性能対象を考慮すべきである。正常な動作
において、最も重要な制御性能基準は外乱排除と高信頼
性である。流量システムが純粋の積分システムとして構
成できることはすでに示された。しかしながら、運用開
始中および手動による障害対策中、設定値変化にたいす
る高速応答は最も重要な制御性能基準である。流量シス
テムが純粋の積分システムとしてモデル化できることは
すでに示された。このように、比例専用制御器は純粋の
積分システム用に推奨される。以下に述べられ、変形し
た好ましい実施例に関連する制御ダイアグラムはシステ
ム利得が最大であるとき速示制御を提供するために調整
される比例専用制御器である。
【００５３】図８を参照すると、本発明のこの変形の好
ましい実施例を実施するための制御器回路１２５’を例
示した変形のブロック図が示される。この変形実施例に
おいて、制御器回路１２５’は比例定数回路２００によ
り示された追加の機能を含むように変形され、変形した
制御器誤差回路１３２’の一部であり、比例定数C(k)を
周期的に計算する。しかしながら、比例定数回路２００
は制御器回路１２５’に追加の機能を提供し、制御器回
路１２５’のデッド領域回路１３８と制御器誤差信号回
路１４２は上述とほぼ同じ方法で動作することを理解す
べきである。このように、この変形した実施例におい
て、制御器２０はダンパ６８（図２）を位置決めするた
めにアクチュエータ出力信号u(t)を発生する流量制御器
回路１２５’として動作するようにプログラム作成され
る。したがって、制御回路１２５’は、（図４に関し
て）上述の制御器回路１２５の構成部品とほぼ同様な方
法で動作する、折り返し防止フィルタ１２８、標本器１
３０、制御器出力回路１３４、およびタイマー１３６を
含むことを理解すべきである。
【００５４】続いて図８を参照すると、連続時間測定信
号z(t)はアナログ低域フィルタ１２８でまず濾波され、
標本器のナイキスト周波数以上の周波数ノイズは除去さ
れる。標本器１３０は濾波された連続時間計測信号z(t)
を受信し、濾波された信号z(t)をk番目の瞬間に流量セ
ンサ５２から計測された風量信号を表す離散時間風量信
号z(k)として制御器誤差回路１３２’に入力する。制御
器誤差回路１３２’は標本器１３０から離散風量信号z
(k)を受信し、前回に蓄積された流量設定信号fs p(k)、
離散風量信号z(k)および非線形デッド領域に基づいて制
御器誤差信号ec(k)を演算する。
【００５５】標本器１３０の出力として、離散時間風量
信号z(k)は設定誤差esp(k)を発生するために加算器１４
４により流量設定信号fsp(k)と比較される。制御器２０
の動作モードを制御する比例定数C(k)は比例定数回路２
００により比例流量設定信号fsp(k)と離散時間風量信号
z(k)の関数として各サイクル中計算される。比例定数回
路２００により発生した比例定数C(k)は前述のように非
線形のデッド領域を計算するためにデッド領域回路１３
８により使用される。したがって、比例定数回路２００
は主として本発明の変形実施例に関連したモード切替論
理を実行する。比例定数回路２００で実行される論理と
機能は以下により詳細に述べられる。
【００５６】制御器誤差ec(k)は設定誤差esp(k)をブロ
ック１３８により発生した非線形デッド領域を通過させ
ることにより設定誤差esp(k)から計算される。上述のよ
うに、この演算は制御器誤差信号回路１４２により実行
される。この変形実施例において、デッド領域の大きさ
はノイズの絶対値の概算値および大きい設定変化を検出
するためにアルゴリズム内の論理から決定される。所望
のパルス幅τd(k)はパルス幅回路１５０により制御器誤
差に基づいて演算される。実際のパルス幅τ(k)は所望
のパルス幅τd(k)をパルス幅変調論理回路１５２に通過
させて計算される。最終的に、アクチュエータ７２はパ
ルス幅命令τ(k)をアクチュエータ７２（図２）を動作
させるタイマー１３６に送信して回転される。
【００５７】モード切替論理を実行し、比例定数C(k)を
計算する前に、ノイズの標準偏差σ(k)を計算する必要
がある。この機能は好ましくは比例定数回路２００によ
り実行される。上述のように、前述の好ましい実施例に
おいて、計測ノイズの変化を概算するための発見的解決
法が利用された（式９）。前述のアルゴリズムの一部を
形成する式９から解るように、標準偏差はノイズ変数の
２乗の指数関数的に重み付けされた平均の平方根で決定
される。しかしながら、変形した好ましい実施例に関連
したアルゴリズムの設計に対する増大として、標準偏差
は同じノイズ変数の絶対値の指数的に重み付けられた平
均から直接評価される。この改良の利点は計算処理が低
くてもよく、この方法はノイズ信号に存在する可能性の
ある分布から離散した値に対して強靭さを提供する。ノ
イズの絶対値は高域フィルタ、振幅の非線形、および最
終的に低域フィルタを介して流量信号f(t)を通過させる
ことにより計算される。高域フィルタは以下のように選
択される。
【式１１】
【００５８】ts<<Tであると常に流速が大きい設定変化
後ほぼ直線的に増大するのでこのフィルタが使用され、
傾斜をキャンセルする。６の平方根によりノイズが相関
していない時enの標準偏差をノイズの標準偏差に等しく
する。ノイズの標準偏差は以下のように評価される。
【式１２】 enが正規に分布されると１．２５の係数はσの期待値を
enの標準分布に等しくする。パラメータwは個別のシス
テムの性能に特定するフィルターの重みである。以下の
選択によりアクチュエータがより速いとノイズ評価器を
より高速にする。
【式１３】 ここで、tsは標本期間であり、Tはアクチュエータのス
トローク時間である。従って、計測された流量信号f(t)
内のノイズを評価するσ(k)の値は非線形のデッド領域
の振幅を計算するために使用され、以下により詳細に説
明される。
【００５９】流量測定特に風量測定は外乱のため高レベ
ルのノイズになりやすい。従って、制御器２０はこのノ
イズを排除する能力を持つべきである。ノイズを排除す
る好ましい方法は制御アルゴリズムにおいて非線形のデ
ッド領域を使用することである。非線形のデッド領域の
論理は以下の如くである。
【式１４】 ここで、Δは非線形のデッド領域の振幅である。デッド
領域の選択は（上記で計算された）計測ノイズの絶対
値、および流速f(t)が流量設定値fsp(k)に正確に等しい
とき流量設定信号fsp (k)から離間して流速信号f(t)を
移動させるパルスu(t)を制御器２０が出力する受容可能
な確率pに依存する。
【００６０】デッド領域Δの振幅は設定が大きく変化し
た後変調され、制御器が手動で動作されている時の反応
を遅らせる。これは二つの制御モード好ましくは保存モ
ードと積極モード間を切替えることにより実施される。
このモード切替論理が大きな流量設定変化fsp(k)がある
かどうかを決定し、もしこの変化が大きな誤差を生じる
とデッド領域の振幅は零である。この条件（Δ＝０）が
保存モードから積極モードへの切替を設定する。この条
件は流速f(t)が流量設定fsp(k)を超えるまで持続する。
流速f(t)が流量設定fsp(k)を超えると、デッド領域は、
時間に対して指数関数的であっても、零からその保存定
常状態値に徐々に復帰する。この条件は積極モードから
保存モードへの自動切替を設定する。前述したように、
積極モードから保存モードへの自動切替はある期間、好
ましくは１５秒に渡って、指数関数的に生じる。保存モ
ードにおいて、デッド領域の振幅は以下のように計算さ
れる。
【式１５】
【式１６】 ここで、 は標準正規分布のp/2パーセント点であり、etはパルス
を発生する制御器誤差の最小値である。上述のように、
C(k)は比例定数である。図９Ａおよび図９Ｂに示される
疑似コードにおいて、比例定数C(k)はZにより表され
る。
【００６１】積極モードにおいて、C(k)＝０であり、Δ
(k)＝０である。第１（保存）動作モードから第２（積
極）動作モードへの制御アルゴリズムの変化を引き起こ
す事象は以下の如くである。
【式１７】 この変化は好ましくは瞬間的またはほぼ瞬間的である。
第２（積極）動作モードから第１（保存）動作モードへ
の制御アルゴリズムの変化を引き起こす事象は以下の如
くである。
【式１８】 好ましくは、これは時間と共に指数関数的に変化する。
【００６２】最後に、上述のように、前述の好ましい実
施例に関連したアルゴリズムは制御誤差とともに変化す
る最悪安定マージンを利用している。前述の好ましい設
計は、実施された制御器が複数のトライアックで駆動さ
れる同期モータ付きで使用される場合、有益である。変
形された好ましい実施例に関連したアルゴリズムにおい
て、改良されたアルゴリズムは好ましくはステップモー
タと共動して使用されるので、この安定マージンはすべ
ての制御器誤差の為の定数にされる。この均一な安定マ
ージンの実施は図９Ｂに示される疑似コードの（カッコ
でくくられた）エレメント２１０として示される。この
変形の好ましい実施例と関連したアルゴリズムを高度化
したことによる最大の利点は制御論理が簡略化されるこ
とである。
【００６３】提示された複数の詳細な図面および特定の
例は本発明の好ましい代表的な実施例を説明している
が、これらは単に例示のためであることが理解される。
本発明はここに開示された精密な詳細及び条件に限定さ
れるものではない。例えば、特定の応用例が述べられる
が、他の用途で本発明の流量制御器を利用しても良い。
また、特定の施設管理システムおよび構成物が提示され
るが、本システムは種々の他のＨＶＡＣシステム用に構
成することができる。本システムはメートル法の単位を
利用して容易に構成される。また、種々の図の単線は複
数導体をも表している。以下の請求項で定義された本発
明の趣旨から外れることなく、種々の変化が開示された
内容に対して可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】環境制御システムの簡単な概略ブロック図であ
る。
【図２】図１に示された環境制御システムに使用される
制御器と可変風量（ＶＡＶ）ボックスのより詳細な概略
ブロック図である。
【図３】図２に示された制御器のより詳細な概略ブロッ
ク図である。
【図４】図３に示された制御器のソフトウエアに基づく
制御アルゴリズムのブロック図である。
【図５】図３に示された制御器用のパルス変調関数に基
づいたパルス幅信号の計算を示す図である。
【図６】図３に示された制御器用の設定誤差信号と非線
形デッド領域に基づいた制御器誤差信号の計算を示す図
である。
【図７】図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の典型的な態様
に従った疑似コードを示す。
【図８】図３に示された制御器と互換可能な本発明の好
ましい実施例の変形例に関するソフトウエアに基づいた
制御アルゴリズムのブロック図を示す。
【図９】図９Ａおよび図９Ｂは、本発明の好ましい変形
実施例に従って図８の制御アルゴリズムを実施する典型
的なソフトウエアアルゴリズムの疑似コードを示す。
【図１０】典型的な比例定数と離散時間の関係のグラフ
を示す。
【符号の説明】
１００ プロセッサ １０２ メモリ １２５ 制御装置 １５２ BRWMロジック １３６ タイマー １３７ 流量特性 １３８ 計算 １３０ 標本器 １２８ アンチエイリアジングフィルタ １４２ デッド領域
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１０年９月２日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 流量制御装置用の改良された適合
流量制御器
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【請求項２４】 非線形のデッド領域が適合的に計算さ
れ、非線形のデッド領域が非線形のデッド領域の前回の
値に関係することを特徴とする請求項１７記載の方法。 ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１０年１２月１８日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４５】好ましくは、制御器２０は制御器により実
行されるソフトウエアにより構成される。代表的な制御
器実行ソフトウエアは図７及び図８に示され、図４〜図
８を参照して述べられた動作に制御器２０を構成する。
このソフトウエアは制御器２０ための基本データの集合
動作および信号演算を示している。また、ハードウエア
制御回路または他のソフトウエアをアクチュエータ７２
と制御器２０のための非線形のデッド領域、流量設定信
号fsp(k)、アクチュエータ出力信号u(t)を計算するため
に利用してもよい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００４６】変形の好ましい実施例では、制御器２０に
より実行されたアルゴリズムは環境制御システム１０を
高度化するために改良された。これらの改良が流量制御
器回路１２５’の部品を開示している図９〜図１２で示
される。アルゴリズムの改良は手動で設定しなければな
らない変数の数を減少させ、これらの手動で設定された
変数を自動的に選択し更新するアルゴリズムにより周期
的に実行される一連の関数に置換する工程を含んでい
る。この改良によりアルゴリズムが制御器２０を設定点
の変化に応答して流量調整をすばやく調整する第１モー
ドまたは流量制御がより緩慢に調整される第２モードに
切り替えることができる。改良されたアルゴリズムはさ
らに流量制御システムに流量制御器２０の制御および動
作をさらに高めるより高いノイズ除去能力を提供する。
アルゴリズムはより大きくより高精度の設定追跡能力与
えて、アクチュエータ７２に対するデューティサイクル
または負荷を減少させるように再設計された。デューテ
ィサイクルはアクチュエータにより要求された動きに関
係しており、アクチュエータはダンパを動かすためにス
テッパモータ、同期モータ、またはソレノイドを含んで
いる。この改良は、流量制御を調整するアクチュエータ
により必要な動きとは反対に、ノイズで生じた変化に応
答してアクチュエータの望まない動作量を減少させて、
アクチュエータ７２の寿命を延ばすことができる。従っ
て、当業者は本発明の変形した好ましい実施例の流量制
御アルゴリズムの改良例により提供された利益を理解す
るであろう。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００５１】この方法の結果は制御器２０が第１動作モ
ードと第２動作モード間に切替可能であることである。
好ましくは、第１及び第２動作モードが各々保存モード
および積極モードにより決定される。より具体的には、
アルゴリズムは設定追跡を積極的にかつより正確に制御
するために第１モードから第２モードに瞬時に切り替え
る機能を提供する。アルゴリズム内の論理が流量設定信
号fsp(k)の実質的な変化を検出すると、比例定数C(k)が
零に設定され、第１モードまたはデフォルトモードから
第２モードへ瞬時に切り変わる。アルゴリズム論理は流
速信号f(t)が流量設定信号fsp(t)を超えたことを検出す
るので、比例定数C(k)は零から最大値へ、好ましくは、
p = 0.01であると2.58に指数関数的に増大し、たとえ時
間と共に指数関数的に、制御器２０を第２（積極）動作
モードから第１（保存）動作モードに徐々に変化する。
アルゴリズムは流量設定信号fsp(t)の実質的な変化が検
出されるまで第１（保存）動作モードを維持する。比例
定数C(k)のこの指数的な変化は図１２に示され、軸２２
０は比例定数範囲を示し、軸２２２は離散時間を示す。
図１２はさらに第１動作モード２２４と第２動作モード
２２６を表すグラフ上で代表的な範囲を例示している。
自動モード切替を実行するために比例定数C(k)の調整に
関連したアルゴリズムと関数は以下に詳細に述べられ
る。この改良により得られるアルゴリズムにたいする利
点はより速い制御器応答時間と、少ないアクチュエータ
の動作、より少ないアクチュエータの開始および停止、
および使用者インターフェースの簡略化である。比例定
数C(k)がアルゴリズム内で手動で設定されないのでこの
ような簡略化が達成される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００５３】図９を参照すると、本発明のこの変形の好
ましい実施例を実施するための制御器回路１２５’を例
示した変形のブロック図が示される。この変形実施例に
おいて、制御器回路１２５’は比例定数回路２００によ
り示された追加の機能を含むように変形され、変形した
制御器誤差回路１３２’の一部であり、比例定数C(k)を
周期的に計算する。しかしながら、比例定数回路２００
は制御器回路１２５’に追加の機能を提供し、制御器回
路１２５’のデッド領域回路１３８と制御器誤差信号回
路１４２は上述とほぼ同じ方法で動作することを理解す
べきである。このように、この変形した実施例におい
て、制御器２０はダンパ６８（図２）を位置決めするた
めにアクチュエータ出力信号u(t)を発生する流量制御器
回路１２５’として動作するようにプログラム作成され
る。したがって、制御回路１２５’は、（図４に関し
て）上述の制御器回路１２５の構成部品とほぼ同様な方
法で動作する、折り返し防止フィルタ１２８、標本器１
３０、制御器出力回路１３４、およびタイマー１３６を
含むことを理解すべきである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００５４】続いて図９を参照すると、連続時間測定信
号z(t)はアナログ低域フィルタ１２８でまず濾波され、
標本器のナイキスト周波数以上の周波数ノイズは除去さ
れる。標本器１３０は濾波された連続時間計測信号z(t)
を受信し、濾波された信号z(t)をk番目の瞬間に流量セ
ンサ５２から計測された風量信号を表す離散時間風量信
号z(k)として制御器誤差回路１３２’に入力する。制御
器誤差回路１３２’は標本器１３０から離散風量信号z
(k)を受信し、前回に蓄積された流量設定信号fs p(k)、
離散風量信号z(k)および非線形デッド領域に基づいて制
御器誤差信号ec(k)を演算する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００６０】デッド領域Δの振幅は設定が大きく変化し
た後変調され、制御器が手動で動作されている時の反応
を遅らせる。これは二つの制御モード好ましくは保存モ
ードと積極モード間を切替えることにより実施される。
このモード切替論理が大きな流量設定変化fsp(k)がある
かどうかを決定し、もしこの変化が大きな誤差を生じる
とデッド領域の振幅は零である。この条件（Δ＝０）が
保存モードから積極モードへの切替を設定する。この条
件は流速f(t)が流量設定fsp(k)を超えるまで持続する。
流速f(t)が流量設定fsp(k)を超えると、デッド領域は、
時間に対して指数関数的であっても、零からその保存定
常状態値に徐々に復帰する。この条件は積極モードから
保存モードへの自動切替を設定する。前述したように、
積極モードから保存モードへの自動切替はある期間、好
ましくは１５秒に渡って、指数関数的に生じる。保存モ
ードにおいて、デッド領域の振幅は以下のように計算さ
れる。
【式１５】
【式１６】 ここで、 は標準正規分布のp/2パーセント点であり、etはパルス
を発生する制御器誤差の最小値である。上述のように、
C(k)は比例定数である。図１０および図１１に示される
疑似コードにおいて、比例定数C(k)はZにより表され
る。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００６２】最後に、上述のように、前述の好ましい実
施例に関連したアルゴリズムは制御誤差とともに変化す
る最悪安定マージンを利用している。前述の好ましい設
計は、実施された制御器が複数のトライアックで駆動さ
れる同期モータ付きで使用される場合、有益である。変
形された好ましい実施例に関連したアルゴリズムにおい
て、改良されたアルゴリズムは好ましくはステップモー
タと共動して使用されるので、この安定マージンはすべ
ての制御器誤差の為の定数にされる。この均一な安定マ
ージンの実施は図１１に示される疑似コードの（カッコ
でくくられた）エレメント２１０として示される。この
変形の好ましい実施例と関連したアルゴリズムを高度化
したことによる最大の利点は制御論理が簡略化されるこ
とである。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】環境制御システムの簡単な概略ブロック図であ
る。
【図２】図１に示された環境制御システムに使用される
制御器と可変風量（ＶＡＶ）ボックスのより詳細な概略
ブロック図である。
【図３】図２に示された制御器のより詳細な概略ブロッ
ク図である。
【図４】図３に示された制御器のソフトウエアに基づく
制御アルゴリズムのブロック図である。
【図５】図３に示された制御器用のパルス変調関数に基
づいたパルス幅信号の計算を示す図である。
【図６】図３に示された制御器用の設定誤差信号と非線
形デッド領域に基づいた制御器誤差信号の計算を示す図
である。
【図７】本発明の典型的な態様に従った疑似コードを示
す。
【図８】本発明の典型的な態様に従った疑似コードを示
す。
【図９】図３に示された制御器と互換可能な本発明の好
ましい実施例の変形例に関するソフトウエアに基づいた
制御アルゴリズムのブロック図を示す。
【図１０】本発明の好ましい変形実施例に従って図９の
制御アルゴリズムを実施する典型的なソフトウエアアル
ゴリズムの疑似コードを示す。
【図１１】本発明の好ましい変形実施例に従って図９の
制御アルゴリズムを実施する典型的なソフトウエアアル
ゴリズムの疑似コードを示す。
【図１２】典型的な比例定数と離散時間の関係のグラフ
を示す。
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図９】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｇ０５Ｄ 7/06 Ｇ０５Ｂ 15/02 Ａ

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 空気流を環境に提供し、さらに制御器と
    動作可能に接続され、前記制御器からの流量設定信号に
    従って空気量を制御する空気装置とを含む環境制御シス
    テムであり、前記制御器が：前記空気装置により与えら
    れた空気流に露出され、環境に与えられた前記空気の風
    量を表す流量信号を発生する流量センサと；前記流量セ
    ンサに接続され、前記流量信号を周期的に受信し前記流
    量信号と前記流量設定信号に応答して、空気装置に与え
    られ前記空気装置が流量設定信号により表される空気量
    を与える制御器出力信号を発生し、設定誤差信号と比例
    定数に従って制御器出力信号を計算するプロセッサとを
    含み；前記プロセッサは流量設定信号に関連した一組の
    条件に応答して前記制御器をデフォルトモードである第
    １動作モードまたは第２動作モードに切り替え；前記プ
    ロセッサは第１の所定の定数から第２の所定の定数に前
    記比例定数を段階的に変化させて、設定誤差信号の変化
    を密接に追跡するための設定信号の所定の変化に応答し
    て第１動作モードから第２動作モードに環境制御システ
    ムを瞬時に切り替え；さらに、前記プロセッサは第２の
    所定の定数から第１の所定の定数へ前記比例定数を指数
    関数的に変化させて、設定誤差信号の変化を正常に追跡
    するための流量信号の所定の変化に応答して第２動作モ
    ードから第１動作モードへ環境制御システムを徐々に切
    り替えることを特徴とする環境制御システム。
  2. 【請求項２】 前記プロセッサは非線形のデッド領域に
    従って前記制御器出力信号を計算し、前記流量信号の変
    化に従って非線形のデッド領域を計算することを特徴と
    する請求項１記載の制御器。
  3. 【請求項３】 前記第１動作モードは保存動作モードで
    あり、前記第２モードは積極動作モードであることを特
    徴とする請求項１記載の制御器。
  4. 【請求項４】 前記設定誤差信号は前回の設定信号と流
    量信号間の差に関係することを特徴とする請求項１記載
    の制御器。
  5. 【請求項５】 ソフトウエアに基づく制御アルゴリズム
    に従って流量設定信号を発生するプロセッサにより実行
    されたソフトウエアに基づく制御アルゴリズムを蓄積す
    るメモリをさらに有することを特徴とする請求項１記載
    の制御器。
  6. 【請求項６】 ソフトウエアに基づく制御アルゴリズム
    を蓄積するメモリをさらに有し、前記ソフトウエアがソ
    フトウエアに基づく制御アルゴリズムの周期動作に従っ
    て前記制御器出力信号を周期的に発生し、さらに前回の
    流量設定信号が前記制御アルゴリズムの動作の最新の前
    回の周期をから出力されることを特徴とする請求項４記
    載の制御器。
  7. 【請求項７】 非線形のデッド領域が前記メモリに蓄積
    され、制御アルゴリズムの各動作周期を再計算すること
    を特徴とする請求項５記載の制御器。;
  8. 【請求項８】 非線形のデッド領域が前記流量信号に関
    連したノイズ信号の標準偏差により適合的に調整される
    ことを特徴とする請求項７記載の制御器。
  9. 【請求項９】 非線形のデッド領域が前記流量信号に関
    連したノイズ信号の絶対値の標準偏差により適合的に調
    整されることを特徴とする請求項７記載の制御器。
  10. 【請求項１０】 アクチュエータと動作可能に関連して
    ダンパを含む空気ダクトを含み、前記アクチュエータは
    ダクトを位置決めし、前記ダンパがアクチュエータ制御
    信号に応答してある環境の空気流速を提供し、前記アク
    チュエータは前記制御器に動作可能に結合される様に構
    成された環境制御システムに使用するための制御器であ
    り、前記制御器が：前記ダンパ間に与えられた空気流速
    を表す実際の流量信号を発生するセンサ手段と；前記セ
    ンサ手段に接続され、前記センサ手段からの前記流量信
    号を周期的に受信し、前記実際の流量信号に応答して前
    記アクチュエータ制御信号を周期的に発生するプロセッ
    サであり、このアクアクチュエータ制御信号は前記ダン
    パ間にあたえられる空気流速の所望の速度に関係し、前
    記プロセッサ手段は設定誤差信号と非線形のデッド領域
    に従ってアクチュエータ制御信号を計算し、前記非線形
    のデッド領域は実際の流量信号に関連したノイズ信号の
    標準偏差の概算値に従って計算されるように構成された
    プロセッサと；前記プロセッサ手段は流量設定信号に関
    連した一組の条件に応答して前記制御器を第１動作モー
    ドまたは第２動作モードに切り替え；前記プロセッサ手
    段は設定誤差信号の変化に親密に追跡する設定信号の所
    定の変化に応答して、第１の所定の定数から第２の所定
    に定数に前記比例定数を段階的に変化させて、第１モー
    ドから第２動作モードに前記制御器を瞬時に切り替え；
    前記プロセッサ手段は第２の所定の定数から第１の所定
    の定数へ比例定数を指数関数的に変化させて、前記設定
    誤差信号の変化を正常に追跡するために前記流量信号の
    所定の変化に応答して、第２動作モードから第１動作モ
    ードへ前記制御器を徐々に切り替えることを特徴とする
    制御器。
  11. 【請求項１１】 前記第１動作モードは保存動作モード
    であり、前記第２動作モードは積極動作モードであるこ
    とを特徴とする請求項１記載の制御器。
  12. 【請求項１２】 前記設定誤差信号は前記プロセッサ手
    段の前回の動作サイクルで発生した流量設定信号と前記
    プロセッサ手段の現在の動作サイクルで発生した実際の
    流量設定信号との差に関係することを特徴とする請求項
    １０記載の制御器。
  13. 【請求項１３】 ソフトウエアに基づく制御アルゴリズ
    ムを記憶するメモリ手段をさらに含み、前記プロセッサ
    手段がソフトウエアに基づく制御アルゴリズムに従って
    アクチュエータ出力信号を発生することを特徴とする請
    求項１０記載の制御器。
  14. 【請求項１４】 ソフトウエアに基づく制御アルゴリズ
    ムを蓄積するメモリをさらに有し、前記ソフトウエア手
    段がソフトウエアに基づく制御アルゴリズムの周期動作
    に従って前記流量設定信号を発生し、さらに前回の流量
    設定信号が前記制御アルゴリズムの動作の最新の前回の
    周期をから出力されることを特徴とする請求項１１記載
    の制御器。
  15. 【請求項１５】 ソフトウエアに基づく制御アルゴリズ
    ムを蓄積するメモリをさらに有し、前記ソフトウエア手
    段がソフトウエアに基づく制御アルゴリズムの周期動作
    に従って前記流量設定信号を周期的に発生し、さらに非
    線形のデッド領域が前記メモリ手段に蓄積され、制御ア
    ルゴリズムの各サイクルの動作を再計算することを特徴
    とする請求項１０記載の制御器。
  16. 【請求項１６】 非線形のデッド領域が前回のサイクル
    で計算された非線形の前回のデッド領域に関係すること
    を特徴とする請求項１４記載の制御器。
  17. 【請求項１７】 非線形のデッド領域が変化に適合的に
    関係することを特徴とする請求項１５記載の制御器。
  18. 【請求項１８】 流体流を提供する装置と制御器出力信
    号を出力する制御器と実際の流量信号を出力する流量セ
    ンサを含み、前記流体流提供装置は制御器と動作可能に
    関連し前記制御器からの制御器出力信号に従って流量を
    制御し、前記流量センサは前記流体流提供装置により与
    えられた流れに露出され、与えられた流量を表す実際の
    流量信号を発生する様に構成された制御システムにおい
    て、 前記流量センサからの実際の流量信号を受信する工程
    と；流量設定信号と前記実際の流量信号に基づいて設定
    誤差信号を決定する工程と；前記流量設定信号に関連し
    た一組の条件に応答して第１動作モードまたは第２動作
    モードに制御システムを切り替えるための比例定数を計
    算する工程と；ノイズに起因する流量信号変化と比例定
    数に従って非線形デッド領域を計算する工程と；前記制
    御器出力信号を増大させるために非線形のデッド領域を
    前記設定値に適用する工程と；前記制御器出力信号を前
    記流体流提供装置に入力する工程と；からなる前記流体
    流提供装置により与えられた流量を制御することを特徴
    とする流量制御方法。
  19. 【請求項１９】 前記第１動作モードが保存動作モード
    であり、前記第２動作モードが積極動作モードであるこ
    とを特徴とする請求項１８記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記制御器が第１の所定の定数から第
    ２の所定定数に比例定数を段階的に変化させ、設定誤差
    信号の変化を緊密に追跡するための設定信号の所定の変
    化に応答して第１動作モードから第２動作モードへ制御
    システムを瞬時に切り替えることを特徴とする請求項１
    ８記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記制御器が第２の所定の定数から第
    １の所定定数に比例定数を指数関数的に変化させ、設定
    誤差信号の変化を正常に追跡するための流量信号の所定
    の変化に応答して第２動作モードから第１動作モードへ
    制御システムを徐々に切り替えることを特徴とする請求
    項１８記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記非線形のデッド領域を計算する工
    程が前記流量信号に関連したノイズ信号の絶対値の標準
    偏差を計算する工程を含むことを特徴とする請求項１８
    記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記実際の流量信号に関連した傾斜属
    性を拒絶するために流量信号を広域フィルタにかける工
    程をさらに有することを特徴とする請求項１８記載の方
    法。
  24. 【請求項２４】 前記制御器がメモリとプロセッサを含
    み、前記メモリがソフトウエアに基づく制御アルゴリズ
    ムを含み、前記プロセッサが前記ソフトウエアに基づく
    制御アルゴリズムに従ってアクチュエータ出力信号を発
    生することを特徴とする請求項１８記載の方法。
  25. 【請求項２５】 非線形のデッド領域が適合的に計算さ
    れ、非線形のデッド領域が非線形のデッド領域の前回の
    値に関係することを特徴とする請求項１８記載の方法。
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