JPS6198606A - 自動車用空調装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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トバンク制御する自
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翻整され
、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１５．
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、必要に応して次のものが含まれる。すなわち、プロ
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。

Ｅ問題点を解決するための手段］ そこで本発明は、自動車の車室内の空気温度を設定温度
と測定車室内温度との温度偏差に基づいてフィードハッ
ク制御する自動車用空調装置の制御方法において、 予め設定したこの空調装置のダイナミックモデルに基づ
いて、この空調装置の制御パラメータの少なくとも１つ
と車室内温度とからこの空調装置のダイミックな内部状
態を代表する適当な次数の状態変数量を推定し、 推定された状態変数量と前記温度偏差の積分量もしくは
累積量に適当な制御ゲインを加えて前記制御パラメータ
を決定し、 さらにこの空調装置のダイナミックが変化したとき、も
しくは持続的外乱が加わったときに、その変化に対応し
て前記ダイナミックモデルおよび前記制御ゲインを補正
し、 上記の動作を繰り返すようにしたことを特徴とする制御
方法を案出したものである。

［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は概しく５） 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ば第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、制御人力Ｕｋが付与され、制御出力
Ｙｋが得られる。例えば制御人力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
ためのプロワモータ（第２図１参照）の印加電圧Ｕｌｋ
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Ｕ２にと、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Ｕ３に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、上記の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
Ｘｋを計算する。状態変数としてε′Ａ８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Ｙｋ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器Ｚｋを演算する。

２３はフィードハ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Ｘｋ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への３つの制御人力Ｕｌｋ、Ｕ２に、Ｕ３
にとしている。

本発明の作用を上述した３人力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　−＋　＋Ｂ−Ｕｎ　−Ｈ−ｆｌ）Ｙ　
ｎ　−Ｃ−Ｘ　ｎ　−１−−・・・１２）と導く。ここ
で容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、プロワモータへの印加電圧Ｕｌｎ−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−一よ制御出力ベクトルで制御対象の出力を意
味し、内気温度Ｔ　ｒ　ｎ　−１を表わず。

Ｘｎ、Ｘｎ　　Ｈ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、ｆｉｌ、（
２）式を基に次のようなオブザーバを構成する。

９ｎ＝（Ａ−ＧＣ）宮ｎ−裏 ＋ＢＵｎ−，−１＋ｃｙｎ−１＋＋＋・−＋（３）ここ
で、Ｇは任意に与えられる行列で、Ｘｎ。

Ｘ　ｎ　−１は制御対象の内部状ｊ＠　Ｘ　ｎの推定値
である。（１）〜（３）式を変形し、Ｄｎ＝Ｘｎ−Ｘｎ
とおくと、 Ｄｎ−（Ａ−ＧＣ）Ｄｎ　−＋　　　　　　・・・・・
・−（４１となり、（Ａ、Ｃ）が検出できる場合、ｎ−
＋■で、Ｄｎ→０、つまりＸｎ−＋Ｘｎ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ＵｎｌＹｎ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Ｘｎと前記累計器
２２の出力である累計器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ｉｌｌ、（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　−＋　　　　−−−ｆ５
１Δｎ　−１＝Ｙｎ　−＋　　Ｙ’　ｎ　−＋　　　−
・−・・（６）ただし、Ｔはサンプリング期間、Ｙ”ｎ
−ｌ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”ｎＡＸｎ］”　　を新しい状態ベクトルとと
する。ここで、Ｑｌ、Ｒは重みパラメータ行列、Ｑ２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
　（Ｕｋ）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
人力Ｕｋは、 Ｕｋ＝Ｆ　［父ｋ”　、Ｚ　ｋｌ”　　　　　　　　−
’υゝＦ＝Ｒ−［Ｂ　　Ｏ］　π　　　　　　　　　゛
””ゝと求められる。ここでＦは最適ゲインで行列であ
り、またπは のリカソチ方程式の解である。

（８）式の評価関数Ｊ　（Ｕｋ）の意味は、制御人力Ｕ
（＊）の動きを制約しつつ、制御出力Ｙ　（’１’）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、車みパラメータ行列Ｑ　＋　
−、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定された状態変数Ｘｋ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９ｋを求めるには
、行列Ｐ、Ｍ、Ｃ，Ｄ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。

Ｘｋ＝ＰＸｋ−＋＋Ｍ　［Ｕｋ−＋　　Ｙｋ−＋］「・
・・・・・・・・（１２） 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ック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イナミックモデルで
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（Ｐ、Ｍ、Ｃ，Ｄ）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、推定価され
た状態変数値Ｘｎ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
図に示す自動車用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ｄＪ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ば、かかるオブザーバ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・ノクモＦ）とを選択する。次いで
ステップ３１では、内気温度Ｙｋ−＋　　（Ｔｒｋ−＋
）と設定温度Ｙｋ−＋（ＴＰｋ−＋）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Ｚｌｋ−＋〜Ｚ４に−＋と、同
時点の制御入力値Ｕ　１　ｋ　−＋〜Ｕ３に−１と、さ
らに制御出力値Ｙｋ−＋とを重みづけ加算して、）（ｌ
ｋ−Ｘ４ｋを計算する。次（ｌ　４） 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、状態変数ハ 量Ｘ１ｋ−Ｘ４ｋを推定する。このようにして算出され
た状態変数量Ｘ１ｋ−Ｘ４にと偏差累計値Ｚｋに、最適
フィードハックゲインＦを乗じて加算し、新しい制御入
力値ｔＪｌｋ−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ゼる
。

［発明の効果］ 本発明によれば、ダイナミックモデルに基づく多変数制
御に従って車室内の空気温度制御を行い、また制御入力
と制御出力とより車室内を含む空洞装置のダイナミック
な状態を推定し、その推定状態と温度偏差により最適な
フィートバック制御人力を算出する構成をとることによ
り、過渡応答性に優れ、また外乱に対しても極めて安定
した温度制御が実現される。

また、熱交換器の能力や日射等の外乱変化が生じたとき
には、ダイナミックモデル並びに最適フィードバックゲ
インを切り換えることにより、内気温度変化を最小にし
て一層応答性と安定性とを増すことができる。

【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１コーチヤードである。 １・・・ブロワモータ、３・・・空調ユニット、４・・
・エハホレータ、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
・・・フィートハックゲイン設定器、２４・・・比較器
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　自動車の車室内の空気温度を、設定温度と測定車室内
   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おいて、予め設定したこの
   空調装置のダイナミックモデルに基づいて、この空調装
   置の制御パラメータの少なくとも１つと車室内温度とか
   らこの空調装置のダイミックな内部状態を代表する適当
   な次数の状態変数量を推定し、 推定された状態変数量と前記温度偏差の積分量もしくは
   累積量に適当な制御ゲインを加えて前記制御パラメータ
   を決定し、 さらにこの空調装置のダイナミクスが変化したとき、も
   しくは持続的外乱が加わったときに、その変化に対応し
   て前記ダイナミックモデルおよび前記制御ゲインを補正
   し、 上記の動作を繰り返すようにした自動車用空調装置の制
   御方法。