KR19990045076A - 피이드포워드/피이드백 제어기능을 갖춘 실내압력조절장치 및그 제어방법 - Google Patents

피이드포워드/피이드백 제어기능을 갖춘 실내압력조절장치 및그 제어방법 Download PDF

Info

Publication number
KR19990045076A
KR19990045076A KR1019980047494A KR19980047494A KR19990045076A KR 19990045076 A KR19990045076 A KR 19990045076A KR 1019980047494 A KR1019980047494 A KR 1019980047494A KR 19980047494 A KR19980047494 A KR 19980047494A KR 19990045076 A KR19990045076 A KR 19990045076A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
air
room
flow rate
control
set value
Prior art date
Application number
KR1019980047494A
Other languages
English (en)
Inventor
오스만 아메드
존 더블유 미첼
샌포드 에이 클라인
Original Assignee
앤 인베르고
시멘스 빌딩 테크놀로지스, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 앤 인베르고, 시멘스 빌딩 테크놀로지스, 인코포레이티드 filed Critical 앤 인베르고
Publication of KR19990045076A publication Critical patent/KR19990045076A/ko

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/62—Control or safety arrangements characterised by the type of control or by internal processing, e.g. using fuzzy logic, adaptive control or estimation of values
    • F24F11/63—Electronic processing
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/30—Control or safety arrangements for purposes related to the operation of the system, e.g. for safety or monitoring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/62—Control or safety arrangements characterised by the type of control or by internal processing, e.g. using fuzzy logic, adaptive control or estimation of values
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/70—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof
    • F24F11/80—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the temperature of the supplied air
    • F24F11/83—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the temperature of the supplied air by controlling the supply of heat-exchange fluids to heat-exchangers
    • F24F11/84—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the temperature of the supplied air by controlling the supply of heat-exchange fluids to heat-exchangers using valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/89—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F13/00—Details common to, or for air-conditioning, air-humidification, ventilation or use of air currents for screening
    • F24F13/08—Air-flow control members, e.g. louvres, grilles, flaps or guide plates
    • F24F13/10—Air-flow control members, e.g. louvres, grilles, flaps or guide plates movable, e.g. dampers
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/041—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a variable is automatically adjusted to optimise the performance
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/048—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators using a predictor
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/0001—Control or safety arrangements for ventilation
    • F24F2011/0002—Control or safety arrangements for ventilation for admittance of outside air
    • F24F2011/0004—Control or safety arrangements for ventilation for admittance of outside air to create overpressure in a room

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Air Conditioning Control Device (AREA)
  • Control Of Fluid Pressure (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

난방, 환기 및 공조 분배시스템용 콘트롤러로써 피이드포워드제어체계와 피이드백제어체계를 구비하고 있다. 상기 콘트롤러는 상기 시스템의 제어설정치와 확인특성에 따라 제어신호를 발생시키고 상기 확인특성에 관해 측정된 변화에 따라 상기 설정치를 적합하게 조정하는 피이드포워드콘트롤체계를 구비하고 있다. 특히, 상기 콘트롤러는 인접공간에 대한 피제어공간내에서 차동압력을 제어하기에 적합하다.

Description

피이드포워드/피이드백 제어기능을 갖춘 실내압력조절장치 및 그 제어방법
본 발명은 제어시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 난방, 환기 및 공조기능을 갖춘 유체분배장치에서 사용되는 공기조절시스템에 관한 것이다.
난방, 환기 및 공조(HVAC)용 분배시스템이 구비된 유체분배시스템은 일반적으로 널리 알려져 있는 것으로, 예컨대 아파트나 사무용 건물을 포함하는 상용 건물에서 널리 사용되고 있다. 또한 이러한 시스템은 실험실형태의 구조물에서 폭넓게 이용되고 있음을 알 수 있으며, 그러한 장치의 기능에 있어 HVAC시스템은 건물의 실내온도를 조절할 뿐만 아니라, 특히 실험이 이루어지는 장소에 다수의 연구실용 연무배출후드가 설치되어 있는 경우에 잠재적으로 유독성이 있는 연무를 배출한다. 그리고 건물내의 실내온도조절기능에 부가하여 또달리 고려해야 될 중요한 기능으로는 집적회로 등을 제조하는 클린 룸의 청결에 있다.
이러한 두가지 수행기능에 있어서, 해당 실내의 공기압은 해당 실내에 인접한 공간 또는 인접한 실내의 공기압과는 다르게 되도록 제어되어야 한다. 클린 룸의 경우 해당 실내는 오염물질이 그 실내로 유입되지 않도록 주변의 공간보다 높은 압력을 유지하여야 한다. 실험실의 경우 그 해당 실내는 그 실내에서 모든 유독개스를 포함하고 있도록 주변 실내보다 낮은 압력을 유지하여야 한다.
본 발명은 해당 격실의 실내압력을 주변공간에 대해 소정의 차동 공기압을 유지할 수 있도록 하기 위하여 HVAC시스템은 실내로 유입되는 공기와 실내로부터 배출되는 공기의 흐름을 제어할 수 있도록 하고 실내로 유입되거나 실내로부터 배출되는 기타 모든 공기의 흐름을 고려해야 한다. 해당 격실에서 유지되어야 하는 주어진 온도조절요건은 쉽게 해결하기 어려운 복잡한 조절문제를 야기시키게 된다.
한편, 앞서 설명된 기능수행 제어방법을 제공하기 위해 공기부피가변(VAV)조절장치가 이용되는 바, 그러한 조절장치는 피이드포워드 제어방법과 피이드백 제어방법을 혼합하여 사용하고 있으며, 개선된 성능과 용이한 기능수행 및 비용의 효율성을 제공하는 효과적인 제어장치를 위해 계속 필요로 하고 있다.
본 발명의 주목적은 피이드포워드 제어기능 및 피이드백 제어기능을 갖춘 개선된 냉난방용 실내압력조절장치 및 그 장치의 제어방법을 제공하고자 함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 탁월한 성능과 매우 용이한 수행능력 및 비용의 효율성이 있는 개선된 콘트롤러를 제공하고자 함에 있다.
본 발명에 관련된 목적은 제어설정치와 상기 시스템의 확인특성값에 의거 제어신호를 발생시키고 상기 확인 특성값에 관해 측정되는 변경에 의거 상기 제어설정치를 적절하게 조정하는 피이드포워드제어기능을 구비한 개선된 콘트롤러를 제공하고자 함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 피이드포워드 제어기능에서 독특하게 에너지보존법칙과 질량보존법칙을 채용하여 피이드포워드 제어기능에서 채용하고 있는 제어설정치를 결정하도록 하는 개선된 콘트롤러를 제공하고자 함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 일반회귀신경망(General Regression Neural Network:GRNN)을 이용하여 그 시스템의 특성값을 확인함으로써 시스템의 확인동작시 최소의 연산시간으로서 간단하고 우수한 능력을 갖도록 된 개선된 콘트롤러를 제공하고자 함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 피드백처리와 함께 피이드포워드처리를 하여 제어신호를 발생시킴으로써 상기 처리방법의 조합에 의거 여러 면에서 우수한 성능을 나타낼 수 있도록 된 개선된 제어시스템을 제공하고자 함에 있다.
도 1 - 본 발명에 따른 콘트롤러 및 그에 관련된 제어방법을 설명하는 구성도
도 2 - 온수가열코일과 물흐름제어밸브를 제어하기 위해 채용된 도 1의 피이드포워드제어방법의 일실시예를 나타내는 구성도
도 3 - 공기 댐퍼/액츄에이터를 제어하기 위해 채용된 도 1의 피이드포워드제어방법의 다른실시예를 나타내는 구성도
도 4 - 도 1의 피이드백제어방법의 일실시예를 나타내는 구성도
도 5 - 도 1의 피이드백제어방법의 다른실시예를 나타내는 구성도
도 6 - GRNN방법을 사용하여 확인을 하는 동안 표본 평탄도 σ에 의거 권한이 0.1인 시뮬레이트 밸브에 대한 정상흐름속도 대 정상제어신호를 나타내는 도표
도 7 - 여러 기술을 사용한 예상 실내열부하를 나타내는 도표
도 8 - GRNN방법을 사용한 확인시 1과 0.01사이의 표본 밸브권한에 의거 시뮬레이트 밸브에 대한 정상흐름속도 대 정상제어신호를 나타내는 도표
도 9 - GRNN방법을 사용한 확인시 1과 0.01사이의 권한을 갖는 밸브에 대한 시뮬레이트 제어신호와 예상제어신호의 비교표
도 10 - GRNN방법을 사용한 확인시 시뮬레이트 코일에 대한 정상공급 흐름속도 대 코일효율을 나타내는 도표
도 11 - GRNN방법을 사용한 확인시 댐퍼에 대한 정상흐름속도 대 측정된 정상제어신호를 나타내는 도표
도 12 - 연무후드배출설비의 압력제어순서에 관한 작용을 나타내는 도표
도 13 - 제1모델과 제2모델의 성능을 비교하는 실내 차동압력응답 예시도
도 14 - 연무후드배출설비에서 냉방제어작용 특히 열발생율과 흐름속도 대 시간에 대한 일례를 나타내는 도표
도 15 - 연무후드배출설비에서 냉방제어작용 특히 열발생율과 흐름속도의 비율 대 시간에 대한 다른 일례를 나타내는 도표
도 16 - 연무후드배출설비에서 난방제어작용 특히 열발생율과 흐름속도 대 시간에 대한 일례를 나타내는 도표
도 17 - 연무후드배출설비에서 난방제어작용 특히 열발생율과 흐름속도의 비율 대 시간에 대한 다른 일례를 나타내는 도표
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 난방온도제어루프 12 : 압력제어루프
14 : 냉방온도제어루프 22 : 피이드포워드제어블록
24 : 피이드포워드제어블록 26 : 피이드백제어블록
28,29 : 물리시스템블록 30 : 공급댐퍼/액츄에이터블록
32 : 코일/밸브액츄에이터블록 34 : 배출댐퍼/액츄에이터블록
36,40 : 온라인확인블록 38,42 : 제어블록
50 : 스위치
본 발명은 통상 HVAC시스템으로 난방을 하는 동안 온도를 조절하기 위하여 피이드포워드제어방법과 피이드백제어방법을 혼용하고 있는 방법에서 사용하는 제어신호를 결정하기 위한 콘트롤러와 그 방법에 관한 것이다. 비록 여기서는 실험실에서의 구현에 대해 상세히 설명하고 있지만, 여기서 제안된 콘트롤 방식이나 결과는 주변공간보다 높은 압력을 유지하여 오염물질이 외측으로부터 해당 격실로 유입되는 것을 방지하고자 하는 클린룸에서 유용한 것이다.
본 발명에 따른 콘트롤러는 도 1의 구성도에 도시된 바와 같이 피이드포워드제어수단과 피이드백제어수단을 혼합하여 사용하며, 3가지로 대별되는 제어루프, 즉 도면부호 10으로 표시되는 난방온도제어루프와 도면부호 12로 표시되어 본 발명을 구체화 하고 있는 압력제어루프 및 도면부호 14로 표시되어 있는 냉방온도제어루프를 구비하고 있다. 상기 3개의 루프는 라인(16,18,20)으로 나타낸 바와 같이 기능적으로 상호연결되어 있으며, 모든 루프들은 도시되지는 않았지만 마이크로프로세서 등과 같은 처리수단에 구현하는 것이 바람직하다.
본 발명을 구현하고 있는 압력제어루프(12)에서 통상 실내압력은 절대값 대신에 차동값으로 제어된다. 상기 차동값은 기준공간 즉 인접지역과 그 격실자체간의 차이로서 정의된다. 실험실에서의 목표는 차동압력을 약 0.005 내지 0.05 w.c범위내의 양의 값을 유지토록 하는 것이다. 이는 실내압력을 모든 작동조건하에서 인접지역의 압력보다 낮게 유지할 수 있게 하여 공기가 실험실로부터 인접공간으로 누설되는 것을 방지한다. 클린룸에 적용시 실내압력은 인접공간보다 높은 차동압력을 유지하도록 하여 실내로 유입되는 것을 방지한다.
최근 이용하고 있는 실내압력조절방법으로는 직접제어방법, 유체추적제어방법 및 직렬제어방법 등의 3가지 방법이 있다. 이러한 방법들은 실내차동압력의 유지를 위해 실질적으로 공급공기의 흐름을 조절한다. 그러므로 압력제어를 위한 상이한 제어방법의 성능을 평가하기 위해 간단한 시퀀스가 고려된다. 실내에 연무배출후드를 구비하고 있는 실험실 압력조절을 위한 적용시 연무후드에서 배출공정의 변경은 차동압력설정치를 유지하기 위해 공급되는 공기의 양을 조절할 필요가 있다.
본 발명에 따른 압력조절시퀀스는 도 12에 도시되어 있다. 도 12에 도시된 바와 같이 연무의 배출은 정상상태로부터 후드의 샤시가 개방됨으로 인해 최대치로 상승된다. 그 결과, 실험실의 압력은 감소하게 되고 압력차는 더 커지게 된다. 그러면 압력제어루프(12)는 실제 압력과 설정치와의 편차를 감지하고 설정치로 복귀시키기 위해 공기흐름을 개방한다.
난방온도제어루프(10)의 제어시퀀스는 도 16과 도 17에 도시되어 있다. 대부분의 공기부피 가변설비(VAV)에서 실험공간내로 송입되는 공급공기는 약 55 ℉의 일정한 온도를 갖는다. 정상적인 냉방부하의 설계를 기초로, 공급되는 공기의 부피면에서의 흐름속도는 지정된 실내의 온도가 항상 70 내지 75 ℉사이의 값을 유지하도록 선택된다. 차동압력을 유지하기 위해서는 전체 실험실 배출량의 최소치가 연무후드의 샤시개방에 기인한 공급흐름속도를 초과하도록 하여 상기 공급공기의 흐름속도를 증가시킬 필요가 있다. 55 ℉로서 일정한 온도를 갖는 상기 신규공급공기의 흐름속도는 냉방을 위한 필요량을 초과한다. 그러므로 실내온도는 설정치 이하로 떨어지게 된다. 이러한 시퀀스에서는 지역 재난방밸브의 개방을 필요로 함과 아울러 실내온도를 설정값으로 유지할 수 있도록 공급공기의 온도를 증가시킬 필요가 있다. 실내압력과 열 구속간의 결합은 복잡하다.
냉방온도제어루프(14)에 관해 설명하면, 그의 제어시퀀스는 냉방요구량의 결과로써 온도제어를 나타낸다. 내부 열발생율은 이 시퀀스를 활성화시키는 주요 교란력이다. 내부 열발생율은 고압력 솥, 오븐 및 점유기간과 같이 실험실 안에서의 기타 활동에 기인한 여러 중복작용으로 증가시킬 수 있다. 내부 발생열이 갑자기 증가될 때 실내온도는 상승된다. 오직 이용가능한 냉방원은 55 ℉의 공기흐름뿐이다. 그런데, 공기의 공급량은 차동압력을 유지하기 위해 배출공기를 증가시키지 않으면 증가시킬 수 없다. 그러나 실험실의 배출량은 실험실의 압력을 붕괴시키기 때문에 증가시킬 수 없다. 이러한 문제를 회피하기 위하여 또다른 배출원 즉 모든 배출장치가 공급량의 증가를 허용키 위해 개방된다. 도 14와 도 15에 도시된 바와 같이, 실험실의 일반 배출량을 인위적으로 증가시킴으로써 실내온도와 실내압력을 설정값으로 유지시킬 수 있다.
각각의 제어루프(10,12,14)는 각각 도 2와 도 3의 구성도에 도시되어 있는 피이드포워드제어블록(22) 및/또는 피이드포워드제어블록(24)을 구비하고 있다. 도 2의 구성도는 가열코일의 피이드포워드제어에 대한 것이고, 도 3의 구성도는 난방온도제어루프, 냉방온도제어루프에서 사용되는 댐퍼의 피이드포워드제어와 압력제어루프에 대한 것이다. 이와 마찬가지로 피이드백제어블록(26)은 제어루프(10,12,14)에서 확인되며 이들 각 피이드백블록에 대한 구성도는 도 5 혹은 도 4에 도시되어 있다.
도 2의 구성도는 후술되는 바와 같은, 콘트롤러의 동작에 이용되는 코일 및 밸브 액츄에이터(32)와 온도센서를 개략적으로 나타내는 물리시스템블록(28)을 구비하고 있다. 또한 도 3의 구성도는 콘트롤러의 동작에 이용되는 압력측정수단과 흐름속도측정수단을 개략적으로 나타내는 물리시스템블록(29)을 구비하고 있다. 이와 마찬가지로, 제어루프(10,12,14)는 제어중에 있는 실내의 공기공급용 덕트에 결합되는 공급댐퍼와 액츄에이터를 개략적으로 나타내는 공급댐퍼/액츄에이터블록(30)을 구비하고 있다. 또한 난방온도제어루프(10)는 가열코일을 통해 흐르는 순환수의 흐름을 조절하기 위한 순환수 가열코일과 순환수 밸브를 개략적으로 나타내는 코일/밸브액츄에이터(32)를 구비하고 있는데, 상기 가열코일은 공기공급덕트에 배치함으로써 상기 코일은 상기 공기공급덕트를 통과하는 공기를 가열하도록 채용된 것이다. 마지막으로, 냉방온도제어루프(14)는 조절중인 실내의 일반적인 공기배출덕트에 결합되는 일반 공기배출댐퍼와 액츄에이터를 예시적으로 나타내는 일반 배출댐퍼/액츄에이터블록(34)을 구비하고 있다. 상기 일반 배출덕트는 배출덕트나 실내에 위치하는 실험실연무배출장치에 연결되어 있는 덕트와는 분리구분되는 것으로, 연무배출후드의 내측으로부터 연무와 같은 것을 공기와 함께 배출한다. 그러한 연무배출후드의 배출동작은 실내로부터 공기를 제거하는데 필요하며, 콘트롤러는 후술되는 바와 같이 그러한 배출에 대해 보상을 하게 된다.
피이드백제어블럭(26)의 동작에 관해 도 5에 의거 설명한다. 여기서는 HVAC분야에서 통상의 지식을 갖고 있는 자가 알고 있는 바와 같은 비례-적분-미분(PID) 제어방법을 채용한 것이다. 피이드백 콘트롤러는 설정값과 입력에 따른 측정변수간의 편차를 이용하며 상기 PID제어방법은 처리변수를 설정값으로 환원시키는데 이용된다. PID로부터 제어신호 Cs,m의 간단한 디지탈변환은 다음과 같이 m번째 샘플시간에서 PID에 대한 분연속적 표현을 시작으로 전개될 수 있다.
여기서 St는 샘플시간, Pg,Ig및 Dg는 각각 비례이득, 적분이득 및 미분이득이다. 방정식의 우측방향으로의 첫번째 항은 일정한 오프셋값을 나타낸다. 두번째 항은 비례작용인자, 세번째 항은 적분작용인자 및 마지막 항은 미분작용인자이다.
이와 유사한 표현을 m-1번째 샘플에 대해서도 다음과 같이 쓸 수 있다.
이제 첫번째 방정식으로부터 두번째 방정식을 빼므로써 디지탈 콘트롤러에서 구현하기 용이한 것을 얻을 수 있다.
피이드포워드제어방법에 관해 설명하면, 제어변수 즉 공급공기 흐름속도, 공급공기 온도 및 일반 배출댐퍼에 대한 설정치를 결정하기 위해 물리적 모델이 이용된다. 특정 제어변수는 적용을 기초로 선택하게 된다. 적용이란 처리변수, 즉 제어변수의 상태를 변경시키기 위해 콘트롤러의 응답을 요구하는 실험실의 압력과 온도의 교란에 의해 초기화된 사건의 시퀀스로 정의된다. 예를 들어, 실험실의 전체 배출량이 연무배출후드 샤시의 개방에 의해 갑자기 증가하는 경우 실내압력은 감소한다. 그러므로, 공급공기의 흐름속도는 실내압력을 설정값으로 유지하기 위해 증가시켜야 한다. 이러한 예에 있어서, 실험실의 전체 배출 흐름속도나 실험실 저편의 차동압력은 그중 하나가 측정값에 의존되는 처리변수임에 반하여 공급공기 흐름속도는 제어변수이다.
피이드포워드 콘트롤러의 두번째 단계는 첫번째 단계와 HVAC설비의 특성에서 결정되는 설정치에 입각한 제어신호의 발생단계를 포함하고 있다. 공기부피가변(VAV) 실험실의 HVAC시스템으로는 보통 2가지 형태의 설비가 알려져 있다. 이러한 설비로는 통상 실험실 공급공기를 가열하는 물/공기 가열코일을 거쳐가는 물 또는 공기의 흐름을 제한하는 밸브나 댐퍼가 있다. 각 구성요소의 특징들은 입력변수와 제어신호로써의 출력과 상관관계가 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 피이드포워드제어블록(콘트롤러)(22)은 온라인확인블록(36)과 제어블록(38) 이와 마찬가지로 도 3에 도시된 피이드포워드제어블록(콘트롤러)(24)은 온라인확인블록(40)과 제어블록(42)을 구비하고 있다. 상기 확인블록(36)(40)은 처리장치의 입력제어신호와 측정변수에 따른 처리특성을 수신하여 갱신한다. 상기 확인블록(36)(40)은 제어작용을 위해 갱신특성들을 주기적으로 그들 각각의 제어블록(38)(42)으로 전송한다.
이와 같은 상황에서는 시스템특성의 변경에 따른 보상을 위해 상식적으로 피이드포워드콘트롤러가 피이드백메카니즘을 구비하고 있음을 알아야 한다. 그러나 상기의 피이드백메카니즘은 측정된 처리변수가 설정값과 비교되어 에러신호를 발생시키고 출력신호가 실질적으로 이 에러신호의 함수가 되는 피이드백제어방법과는 상이한 것이다. 피이드포워드확인처리과정에서 처리변수와 시스템교란조차도 비용면에서 효과적이고 편리한 경우에는 측정된다. 피이드포워드 제어블록(38)(42)은 설정치신호의 수신에 의거 동작하여 그 처리에 대한 확인특성을 기초로 하는 제어신호를 공급한다. 피이드포워드제어방법의 본질은 처리장치의 설정값이나 측정변수의 변경에 때한 응답으로서 제어신호를 출력하는 것이다. 피이드포워드제어는 제어신호를 발생시키기 위한 에러신호를 필요로 하지 않기때문에 피이드백제어보다 신속하게 응답하게 된다.
확인처리과정에서는 전체 동작범위에 걸쳐 시스템의 특성을 파악하여 강력한 콘트롤러를 만들게 된다. 만일 확인체계가 전체 시스템의 특성을 완전하게 파악할 수 있는 경우 피이드백콘트롤러를 필요로 하지 않는다. 그러나, 데이터의 오류, 잡음 및 데이터의 정확성에 기인하여 많은 비용을 발생시키지 않고서는 완전한 특성파악이란 실현할 수 없다.
VAV실험실의 HAVC시스템에 있는 제어설비의 각 단위체들에 대해 피이드포워드콘트롤러는 처리변수의 설정치변경에 따른 제어신호를 발생시킬 수 있다. 제어신호를 어떻게 발생될 수 있는지를 이해하기 위해 각각의 구성요소와 결합된 물리적 처리를 필요로 하고 있다.
실내의 온도를 높이는 물리적 처리장치로는 2개의 구성요소 즉 밸브/액츄에이터조립체와 가열코일을 포함하고 있다. VAV실험실은 그 실험실의 압력조건과 온도조건을 만족시키기 위해 가열코일, 밸브/액츄에이터 및 댐퍼액츄에이터들을 구비하고 있다. 밸브액츄에이터의 특성은 HAVC공기분배시스템에서 공기의 흐름속도를 조절하는데 사용되는 댐퍼/액츄에이터의 특성과 유사하다. 그러므로, 여기서 밸브에 관해 설명되는 처리동작은 댐퍼/액츄에이터에 대해서도 동일하게 적용할 수 있는 것이다. 가열동작의 일례를 선택함으로써 VAV실험실에 있는 모든 HAVC구성요소의 확인을 예로 들 수 있다.
밸브를 통한 물의 흐름속도는 밸브의 개방부위와 권한(authority) a에 의존한다. 권한이란 밸브가 완전히 개방되거나 각 밸브가 다음 (식 5d)와 같을 때 전체회로의 압력강하에 대한 밸브건너편의 압력강하율로 정의된다.
권한, 밸브개방율 및 최대 흐름속도의 항에서 밸브특성을 표현하는 것은 당 분야에서는 일반적인 것이다(ASHRAE 1992).
실제로 단일 회로시스템에 있어서, 그 회로의 압력강하는 권한 a가 1.0에 가깝게 되는 밸브에 비해 작게 될 것이다. 그렇지만, 다중회로가 구비된 시스템에서는 펌프와 코일간의 거리가 증가됨에 따라 주요부위의 압력손실은 측로부위에 비해 커지게 된다. 그 결과, 권한의 크기는 권한방정식에서 표시되는 바와 같이 압력손실율에 따라 변하게 된다. 모든 회로의 권한은 각 회로에서의 흐름이 시간에 따라 변하기 때문에 시간에 종속적이다. 밸브의 권한은 설계에 의한 압력강하와 흐름속도간의 기본 관계를 이용하거나 설계당시의 흐름조건에서 펌프출구와 밸브입구의 정적 압력을 측정하여 모든 시간에서의 권한을 산출함으로써 구할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 난방요구량에 따라 제어신호 Cs가 발생되어 밸브를 개폐시킬 수 있도록 밸브/액츄에이터(32)로 송출된다. 가열코일은 물흐름속도와 공기흐름속도 그리고 인입수온과 입입공기온도와 같은 물리적 입력치를 갖추고 있다. 코일의 출력에는 물의 온도와 배출공기온도이다. 출구수온은 공급공기의 열에너지에 직접적인 관계가 없기 때문에 확인과정에서는 고려하지 않는다. 그대신에 유입수온 Tf,i과 유입온도와 배출온도 Ta,i, Ta,o와 각각 관련된 크기가 없는 변수인 R이 사용된다. Tf,i와 Ta,i는 사용자 입력 파라메터와 같이 시스템의 주어진 상수로써 알고 있는 것이거나 측정되는 것이며, 콘트롤러로 입력되는 것이다. 또한 코일효율로써 볼 수 있는 크기가 없는 변수 R은 공급된 열량의 크기이다. R은 다음 (식 5e)로 표현될 수 있다.
R=(Ta,o-Ta,i)/(Tf,i-Ta,i)
앞서 설명된 물리적 처리는 시스템처리변수를 제어입력의 함수로써 관련지운 것이다. 상기의 물리적 처리는 물흐름속도설정치에 따라 밸브를 소정의 위치로 조정하는 소정 제어신호를 발생시키기 위해 피이드포워드 콘트롤러에서 사용될 때 반전될 필요가 있다.
이러한 제어개요는 도 2와 관련되어 설명될 수 있다. 앞서 설명된 물리적 열처리절차는 도 2에 도시된 피이드포워드블록에서는 반대로 된다. 상기 피이드포워드블록은 가열코일의 배출공기설정치신호 Ta,｜sp 의 수신에 의거 작동된다. 온라인확인부는 소정의 제어신호를 발생시키기 위해 상기 특성을 정상화시키고 반전시킨다. 상기 가열코일의 특성은 먼저 가열코일의 소정 배출공기온도설정치 Ta,｜sp 와 주어진 공급공기 흐름속도 에 대한 소정 물흐름속도 을 구하기 위해 제어처리공정에서 이용된다. 물흐름속도의 요구량과 권한 a를 알게 되면 밸브특성확인부는 제어신호 Cs 를 발생시킨다.
제어신호 Cs 에 따라 물리시스템으로부터 관측된 변수들은 주기적으로 수집되어 도 2에서 온라인확인부로 표시되어 있는 별도의 확인부에 의해 코일의 특성과 밸브의 특성을 갱신하는데 이용된다. 관측된 변수로는 Ta,o , Ta,i , 및 를 포함한다. 그런데, 물흐름속도를 측정하기 위한 고가의 수단대신에 가열코일의 배출수온 Tf,o 을 측정하여 다음의 에너지수지방정식을 사용하여 를 산출할 수 있다.
여기서 K는 경험상 결정되는 상수이며 공기와 물의 질량캐패시턴스의 발생비로 표현된다.
여기서 ρa 는 공기밀도, ρf 는 유체밀도, Ca 는 공기캐패시턴스 그리고 Cf 는 유체캐패시턴스이다. 상기의 물흐름속도( )방정식은 직접 흐름속도를 측정하는 것과는 달리 비용과 실용성을 고려하여 지역별 가열코일을 통해 흐르는 물흐름속도를 산출하는 방법으로써 선호된다. HVAC제어시스템은 제어목적상 배출공기온도와 마찬가지로 가열코일을 흐르는 공기흐름속도도 고려하는 경향이 있다. 상기의 값들은 매초 또는 그 이상의 주기로 갱신된다. 또한, 가열코일의 인입공기온도 및 인입수온은 종종 중앙공기제어장치와 냉각장치로부터 이용될 수 있다. 이와 같이 수온센서를 추가함으로써 가열코일의 물흐름속도는 물흐름속도( )방정식을 사용하여 예측할 수 있다. 이는 흐름속도센서가 온도센서에 비해 고가이기 때문에 그러한 비용차이는 건물안의 각 지역에 설치되어 있는 많은 수량의 가열코일을 고려할 때 매우 커지게 되므로 비용면에서 효과적인 창안이다. 또한, 제품갱신시 띠부착 온도센서는 비용적으로 업무방해를 주지않기 위하여 파이프 외측에 설치될 수 있다. 한편, 대부분의 흐름속도센서는 파이프에 내장시킬 필요가 있으므로 시스템동작에 방해를 준다.
다음의 몇가지 추가적인 요소들이 온도센서의 사용을 장려한다. 먼저 물흐름속도방정식에서는 오직 확인의 목적으로만 사용된다. 그러므로 물흐름속도방정식을 푸는데 동적데이터를 필요로 하지 않는다. 그 대신에 주기적인 정상상태데이터만을 필요로 하며 이는 초당 하나 혹은 그이상의 선호된 표본의 주어진 속도를 구하기가 어렵지 않게 된다. 두번째, 물흐름속도와 공기흐름속도와의 지배적관계와 가열코일 건너편의 공기와 물의 차동온도는 가열코일의 물흐름속도를 추정함에 있어 중요하다. 그러므로 각 측정치의 절대적인 정확도는 그다지 중요한 것이 아니다. 마지막으로, 피이드포워드접근방식과 피이드백접근방식이 결합된 피이드백 콘트롤러의 목적은 측정에러를 포함하는 확인처리시의 부정확성을 보상하는 것이다.
도 2는 피이브포워드블록이 밸브측으로 어떤 제어신호를 발생시킬 수 있기 전에 가열코일의 출구온도설정치 Ta,o｜sp 의 예측필요성을 명확하게 나타내는 것이다. 실제로, 가열코일의 특성반전은 밸브를 통과하는 물흐름속도설정치를 발생시킨다. 밸브권한과 물흐름속도설정치를 알므로써 콘트롤러는 밸브측으로 제어신호를 발생시킬 수 있게 된다.
밸브에 대해 설명된 작용은 댐퍼에 대해서도 유사한 것으로 도 3에 도시되어 있다. 댐퍼의 경우 제어신호는 공기흐름속도 요구량에 의해 발생된다. 공기흐름속도설정치가 먼저 결정되고, 그에 따라 제어신호를 발생시키기 위해 피이드포워드블록에 의해 댐퍼권한이 이용된다.
본 발명의 중요한 일면에 따르면 공급공기 흐름속도와 공급공기온도 및 일반 배출공기 흐름속도에 대한 설정치를 결정하기 위한 방법을 필요로 한다. 공급공기 흐름속도설정치는 실험실의 안전을 위한 압력루프와 결부되어 있다. 공급공기온도설정치는 실내온도가 설정치 이하로 떨어져서 난방을 필요로 할 때 결정된다. 일반 배출장치는 실내온도가 상승되어 설정치를 초과하게 될 때 개방된다. 모든 경우에 있어 설정치를 산출하는데 물리적 모델이 이용된다.
공급흐름속도설정치를 결정하기 위하여 고정질량수지 및 침윤 방정식이 공급량설정치를 풀기 위해 사용될 수 있다. 고정질량수지가 설정치 항에 기재될 때 다음 (식 5h)과 같다.
다른 공급관으로부터 실내로 유입된 공기량인 침윤관계는 다음 (식 5i)와 같다.
실험실의 압력차동값 ΔP｜sp 는 다음과 같이 정의된다.
Δp｜sp= pref｜sp- p｜sp
상기한 질량수지방정식에는 3가지 공기흐름 즉 공급, 침윤 및 실험실배출 등에 관한 온도, 흐름속도 및 압력으로 이루어진 9가지의 변수가 있다. 실내의 침윤 온도와 압력에 대한 설정치는 알고 있는 것이다. 설정치가 일 때 침윤공기의 부피는 와 ΔP｜sp 방정식으로부터 알고 있는 것이다. 이와 마찬가지로, 공급공기압력 Ps｜sp , 실내압력 P｜sp 그리고 실내온도 설정치 T｜sp 는 설계데이터로부터 주어진다. 미지수는 실험실 공급공기 흐름속도 , 실험실 전체배출설정치 그리고 공기방출온도설정치 Ts｜sp 의 3가지가 있다. 실험실 전체의 배출량은 일반 배출량과 연무배출후드의 배출량의 합이며 다음 (식 5k)과 같이 주어진다.
VAV실험실에서 연무배출후드의 배출량설정치는 각 연무배출후드샤시의 위치에 대해 알고 있는 양이다. 그러므로, 실험실 전체의 배출량 설정치를 결정함으로써 일반 배출설정량을 알 수 있게 된다.
공급공기 방출온도나 일반 배출량 설정치를 풀기 위하여 다음과 같은 에너지불변방정식이 4개의 선행방정식을 직접적으로 더하여 이용된다. 에너지불변방정식은 다음과 같다.
여기서 Cf 는 단위변환인자이다.
공급공기 방출온도 설정치가 결정되어졌을 때 일반 배출량은 항상 알고 있는 양이거나 그 반대일 수도 있음을 알아야 한다. 연무배출후드의 샤시가 개방되어 배출량이 갑자기 증가할 때 소정의 공급공기 방출온도를 결정할 필요성이 있다. 배출수단의 배출량 증가는 실내압력차를 유지하기 위하여 보다 많은 공급공기를 요구하게 된다. 그런데, 통상 55 ℉인 공급공기의 양이 실내온도를 70 ℉로 유지하기 위하여 냉각부하를 상쇄시키는데 필요한 양을 초과하게 되면 실내는 과냉된다. 실내가 과냉되는 것을 방지하기 위해서는 소정 공급공기온도 설정치를 달성하기 위해 공급공기를 반드시 가열하여야 하고 가열코일을 조절하여야 한다.
일반 배출량은 연무배출후드가 닫혀져서 실험이나 실험장비의 작동에 의거 내측의 열발생량이 증가될 때 필요하다. 이러한 상황에서 실내는 더욱 냉각시킬 필요가 있다. 그런데, 55 ℉ 공급공기의 부피증가에 의한 추가적인 냉각은 압력균형을 상향조정하게 된다. 그 결과, 보다 많은 공급공기가 추가냉각을 위해 공급될 수 있도록 일반 배출댐퍼가 개방된다. 콘트롤러는 실내압력설정치와 실내온도설정치를 유지하기 위하여 일반 배출량과 공급공기량을 결정하여 제어하여야 한다. 이러한 경우 물론, 공급공기의 온도는 55 ℉로 고정된다. 온도상승이 요구될 때 일반 배출댐퍼는 항상 폐쇄되며, 이는 가 "0"이 됨을 의미한다.
그러므로 5개 선행 방정식의 이용으로 제어순서에 따라 공급공기 흐름속도와 공급공기온도 또는 공급공기 흐름속도와 일반 배기 흐름속도에 대한 설정치를 산출한다. 마지막 방정식인 에너지불변방정식에서 공간열부하 qload 는 상기 설정치를 구하기 위해 결정될 필요가 있다. 순간실내부하는 시간에 대한 온도의 1차 미분에 거의 비례하게 된다. 이는 실험실의 공기질량이 일정하게 남아 있는 것으로 가정할 때 내부에너지저장기간이 된다.
qload｜tr=ρCvdT/dt
실내온도 T는 벽설치용 서모스탯의 상투적 설치관행을 따르는 대신에 실내의 배기관안에 온도센서를 설치함으로써 직접 측정할 수 있다. 많은 실험실에 있어서, 2개의 배출흐름간에 공통으로 함께 교차시켜 배관된 연무배출후드와 실험실로부터의 배기관은 덕트온도센서에 양호한 장소를 제공한다. 고도의 공조조건에 따라 실험실의 공기는 잘 혼합되며 그러므로 배출공기온도는 실내온도 T를 잘 표현하게 된다. 그렇지만 어떤 상황에서는 센서에 공급되는 전압이 휘발성 연무에 의거 반응할 수 있기 때문에 덕트온도센서의 설치가 실현불가능한 경우가 있다. 그러한 상황에서는 벽설치용 서모스탯 센서가 아직 이용될 수 있으며 실내온도는 다음 방정식을 간략화 하여 아래에 설명되는 바와 같이 임시 실내공기온도센서를 이용함으로써 예측할 수 있다.
이 방정식은 서모스탯온도 Tst 측의 벽의 온도와 실내공기온도가 결합된 것이다. 벽의 에너지 방사가 서모스탯이 장착된 벽을 가열하거나 냉각시키기 때문에 벽의 온도와 서모스탯온도를 결합시킬 필요가 있다. 대부분의 실험실에서 벽의 온도는 실험실과 실험실에 인접된 공간이 모두 내측 영역에 있어서 동일한 온도를 유지하고 있기 때문에 공간의 온도와 매우 가깝다. 그 결과 상기 방정식은 다음과 같이 간략화 시킬 수 있다.
dTst=-C2st(Tst-T)
오직 서모스탯조정상수 C2st 는 시운전하는동안 온도센서를 배기관에 일시적으로 배치하거나 실내의 적합한 위치에 배치하고, 실내온도설정치를 변경하며, C2st 를 결정하기 위해 서모스탯온도 Tst 와 실내공기온도 T를 임시위치데이터와 고정추세데이터로부터 트렌딩함으로써 용이하게 알 수 있다. 서모스탯상수가 한번 조정되면 온도센서는 임시위치에서 제거된다. 그 대신에 만일 가능하다면 실내공기온도를 측정하기 위한 센서는 오직 실험실공기를 위한 일반 배기관에 배치할 수 있다. 일반 배기관에 설치된 센서는 종종 일반배기댐퍼가 완전하게 폐쇄되어 센서가 실내공기에 노출되지 않기 때문에 서모스탯 대신에 계속적으로 사용될 수 없다. 한편, 일반 배기관에 센서를 설치함으로써, 일반 배기관의 흐름이 중요할 때 트렌드센서와 (식 5o)에 있는 서모스탯값의 사용에 의해 조정상수 C2st 의 값을 갱신하기 위하여 조정과정은 자동화될 수 있다.
실내온도가 고정적일 때 다음의 에너지방정식을 사용하여 전체냉각부하를 결정할 수 있다. 이는 냉각부하가 선행시간 t-1에서 실험실 전체배출속도, 실내온도 및 공급흐름속도에 관련된 것이다. 공기밀도는 공급, 배출 및 침윤공기에 대해 이상적으로 일정한 것으로 가정한다.
실험실 전체 배출량은 일반 배출량과 연무후드배출장치의 배출량의 합으로 표현된다.
상기의 (식 5p)과 (식 5q)에 있어서, 실내부하 예상시 발진을 방지하기 위하여 침윤흐름속도설정치 가 실제 침윤흐름속도대신에 사용된다. ΔP의 순간값은 침윤흐름속도 과 실내온도 T에서 발진을 유발시킨다. 그 결과 계산된 실내냉각부하량이 발진하게 된다.
산출된 부하상의 순시치 ΔP 와 의 영향을 보기 위하여 간단한 제어방법이 선택되어 시뮬레이션이 수행된다. 실내열발생율을 고정값 82.50 Btu/min에서부터 412.50 Btu/min 까지 증가시킴으로써 실내측의 응답압력 및 응답온도가 획득되었다. 실내온도가 내측의 보다 높은 발생율에 따라 증가되기 때문에 실내측에서는 보다 많은 냉각을 요구한다.
추가 냉각은 오직 55 ℉의 공급공기 흐름속도를 증가시킴으로써 제공할 수 있다. 그런데, 공급공기 흐름속도를 증가시키기에 앞서 실내 압력차를 유지하기 위해 실험실의 전체 배출량을 증가시켜야 한다. 다음에는 일반 배출량을 증가시킬 것을 요구하게 된다. 부하를 예상함에 있어 침윤흐름속도설정치의 이용은 여기서 그 대상이 실내압력차동설정치와 온도설정치를 획득하기 위하여 필요로 하는 공급공기 흐름속도와 공급공기온도, 또는 일반 배기흐름속도를 결정하기 위한 것이기 때문에 작업으로 알 수 있다. 실질적으로, 콘트롤러는 0.05 w.c.의 실내차동압력과 70 ℉의 실내온도를 유지하기 위하여 공급댐퍼와 일반 배기댐퍼를 구동시킨다. 콘트롤러는 먼저 내부 열발생율을 증가시키기 이전과 이후의 고정조건에서 공급공기의 흐름속도와 일반 배출공기의 흐름속도에 대한 설정치를 산출한다.
공기흐름속도의 설정치에 의거 콘트롤러는 댐퍼를 통과하는 흐름속도와 댐퍼위치간의 관계에 따라 댐퍼의 위치를 결정한다. 간단한 시뮬레이션을 사용하는 목적은 압력과 온도의 순시치가 다음에는 침투량에 순간적인 영향을 미치는 것을 예시하기 위한 것이다. 그결과로서 생기는 영향은 예상부하가 침투량의 순간변화를 따르게 되고 이는 진동적이라는 것이다. 고정조건하의 순간 부하는 실제 실험실 전체의 배출량 를 이용하는 앞서의 qload｜ss 방정식을 적용하여 결정된다. 이와는 반대로, 설정치를 이용하는 예상고정부하 qload｜ss 는 순간적인 동안 실제의 부하와 매우 접근하여 추종하게 되고, 고정발생열과 벽에 의한 효과를 포함하는 시뮬레이트실험 부하와 일치하게 된다. 고정상태의 qload｜ss 는 ΔP 에 대한 설정치를 가정하여 를 산출하는 qload｜ss 방정식을 이용한다. 그 결과, 0.05″w.c.에 일치하는 qload｜ss 에 대한 설정치는 (식 5p)에서 이용된다. 선택된 제어순서에 대해 실제로 (식 5p)에 의해 결정된 바와 같은 차이는 약 41 cfm인 것을 알았는데, 이는 고정상태하에서 순간부하와 qload｜ss 간의 약 43 Btu/min의 차로 변환된다.
관측작용에 입각하여 예상고정부하가 순간부하대신에 시뮬레이션에서 사용되기 위해 선택된다. 또한 콘트롤러는 댐퍼를 발진하게 하는 실제 순간 실내부하를 추종할 필요가 없다. 설정치를 기준으로 하는 예상부하의 이용은 안정된 제어상태를 제공한다.
실내를 냉방시킬 필요가 있을 때 저장항과 고정부하항이 일반배출 흐름속도설정치와 공급공기 흐름속도설정치를 결정하기 위해 부하 qload｜ss 를 연산할 수 있도록 가산된다. 그런데, 오직 난방만을 하는 경우 저장항은 공급공기온도설정치를 산출하는 연산에서 무시된다.
확인단계에서는 확인요소의 특성을 이용하여 입력, 출력, 그리고 기타 여러 가변량에 관련된 정보를 기초로 출력성분을 발생시킨다. 확인해야 될 구성요소에는 가열코일과 밸브/댐퍼와 같은 2가지 구성요소가 있다. 그런데, 앞서 설명된 바와 같이 제어처리부에서 물리적 특성이 반전될 것이기 때문에 확인처리부에서는 반전된 물리적 처리부의 입력과 출력간의 관계를 중요시하여야 한다. 예컨대 가열코일에 대해서는 그 입력이 크기가 없는 변수 R 과 고정변수 Ta,i , 가열코일의 인입공기온도와 인입수온 Tf,i 이다. 상기 가열코일의 출력은 가열코일을 통해 흐르는 물흐름속도 이다.
이와 마찬가지로, 도 2에 대해 설명하면, 댐퍼와 밸브에 대한 반전된 물리적 처리작용의 확인동작에서는 2개의 입력신호로써 흐름속도와 권한 그리고 하나의 출력신호로써 제어신호를 포함하고 있다. 댐퍼나 밸브는 실질적으로 가변성이 있는 유체저항장치이다. 유사유체의 특성과 그의 성능을 나타내는 것은 확인변수의 항으로 표현되고, 그에 따라 동일한 모델로써 표현될 수 있다.
일반회귀신경망(grnn)DMS 시스템확인시 간단함과 강력함 및 우수한 성능에 기인하여 가열코일과 밸브를 확인하기 위해 선택된다. 종래의 신경망과는 달리, 시스템특성을 효과적으로 감지하기 위한 최소의 연산시간만을 필요로 한다. 다음은 단지 구성요소의 확인시 그의 구현수단을 예시하기 위한 GRNN의 간단한 계산예이다.
GRNN으로 입력되는 것은 다중 크기가 포함될 수 있는 일련의 데이터이다. 입력벡터 X와 입력스칼라 Y의 샘플값 Xi 와 Yi 에 대해 어떤 주어진 값 X에서 소정의 평균값 Y에 대한 예상값은 다음의 관계식에서 모든 샘플값을 사용하여 알 수 있다.
여기서 주어진 값으로부터 알고있는 위치까지의 유크리드 거리를 나타내는 스칼라함수 Di 2 은 다음과 같이 주어진다.
Di 2= (X - Xi)T(X - Xi)
그리고 σ는 GRNN의 단일 평탄 파라메터이다. 상기 방정식이 실질적인 GRNN방법이다. 평탄 파라메터 σ가 작은 값에 대해 예상밀도가 공지의 비규칙적인 지점사이에서 폭넓게 변화할 수 있는 가능성을 제외하고는 비 가우스형상인 것으로 가정한다. σ가 매우 클 때에는 회귀표면이 매우 완만하게 된다. 평탄 파라메터값 σ을 산출하기 위해서는 홀드아웃방법(Holdout method; 1990년 Specht에 의함)이 이용된다.
또한, 가열코일과 밸브/댐퍼의 특성에 대한 GRNN의 처리수단은 종래의 확인방법이상의 효과를 제공한다. 전형적인 회귀확인방법에 있어 오퍼레이터는 미리 알고 있는 방정식을 입력시켜야 하거나 배기에 가장 적합한 방정식을 탐색하여야 한다. 비선형조건의 코드는 집중적인 것이어서 효율적인 온라인사용을 위해 금지될 수 있다. 이와는 달리, GRNN은 특성에 관한 함수형태의 사용자입력을 필요로 하지 않고 현저히 단순한 코드를 사용한다. 더구나 GRNN알고리즘은 신경망적인 하드웨어프로세서에 구체화시킬 수 있다. 그러므로 현장에 설치하는 동안 소프트웨어의 입력이 불필요하기 때문에 많은 양의 소프트웨어개발동작을 제거할 수 있다.
가열코일의 입력벡터 X는 크기가 없는 변수 R과 을 포함하고 있는 한편, 출력 Y는 가열코일을 흐르는 물의 흐름속도 이다. 입력으로써 밸브권한 a 와 을 사용하면 밸브 GRNN은 요구된 밸브제어신호의 출력 Cs를 발생시키게 된다. 흐름의 제어를 위한 댐퍼/액츄에이터에 있어 입력변수와 출력변수는 밸브에 대한 변수와 동일하다.
콘트롤러의 또다른 중요한 일면에 의하면, 코일특성과 밸브특성은 상기한 모델을 사용하여 발생되며, 이어 그 특성을 확인하기 위하여 GRNN이 사용된다. 물리적 변수들은 먼저 정상화된다. R(식 5e)과 범위가 0부터 1까지인 권한 a 외에도 기타 사용된 정상화된 변수들은
이다.
이러한 실시예에서, csmax , 및 은 각각 1.0, 2500 cfm(1180 L/s) 그리고 1.0 gpm(0.0631 L/s)이다. 부하와 주어진 값 를 만족시키기 위해 요구된 R의 값을 이용하면 의 값이 결정될 수 있고 이어 도 2에 도시된 바와 같이 제어신호 nCs 를 발생시키기 위해 주어진 권한을 따라 밸브모델에서 이용될 수 있다. 정상화된 변수와 앞에 설명된 모델의 사용에 의해 표 1의 코일 및 밸브의 특성데이터가 발생된다.
GRNN방법은 불변의 권한에 대한 밸브데이터의 회귀예를 사용함으로써 가장 잘 설명될 수 있다. 예를 들어, 권한이 0.1인 것으로 선택하면, 도 6에 도시된 바와 같이 정상화된 제어신호화 정상화된 흐름간에 비선형관계가 설정된다. 불변의 권한에 대해서는 하나의 입력만이 있고 상기의 스칼라함수 방정식이 있는 벡터 X는 스칼라값으로 연속된 평균화된 흐름속도 가 된다. 스칼라함수방정식에서 함수 Di 2 은 Xi 가 일련의 값들중 i번째 샘플인 경우 연산될 수 있다. 이어 Y(X)에 대한 GRNN방정식은 Di 2 을 사용하여 확인데이터중 nCs 의 i번째 샘플로써 Yi 를 일치시켜 풀 수 있다.
밸브 시뮬레이션 파라메터 (λ=0.00001;Wf= 1;Kcd= 0.08641(64.89);K0= 0.042(31.54);)
권한(authority) 최대 gpm(L/s)
1.00 -0.086 (-64.58) 3.00 (0.1893)
0.70 -0.034 (-25.53) 2.50 (0.1577)
0.50 0.037 (27.78) 2.12 (0.1337)
0.20 0.407 (305.63) 1.34 (0.0845)
0.10 1.02 (765.97) 0.95 (0.0599)
0.05 2.25 (1689.64) 0.67 (0.0423)
0.01 12.13 (9109.02) 0.30 (0.0189)
GRNN과 마찬가지로 코일특성과 밸브특성의 시뮬레이션은 여기서 특별히 참고로 결합되어 있는 Engineering Equation Solver(Klein 과 Alvarado, 1997)를 사용하여 실행된다. 도 6의 시뮬레이트된 데이터는 굵은 선으로 표시되어 있으며, 한편 각 포인트들은 각종 평탄 파라메터(σ)값에 대한 GRNN방정식의 사용에 의해 발생된 것이다. 비록 작은 값의 σ들은 양호한 데이터를 나타내는 것으로 보이지는 않지만 매우 작은 σ의 선택에 의한 과도한 고정상태를 피해야 한다. 상기 시뮬레이트데이터는 0.0부터 1.0까지 0.1씩 증가되는 nCs 의 변화값과 0.05, 0.15, 0.25의 nCs 에 의해 구해지는 14개의 샘플을 포함하고 있다.
여기서 참고로 특별히 결합되어 있는 홀드아웃 방법(Specht 1990)은 최적의 σ를 산출하기 위해 이용되며 여기서 0.01이 됨을 알았다. 보다 높은 값의 σ 선택효과는 도 6에 명확하게 도시되어 있다. 0.5의 큰 값의 σ에서는 작은 값의 σ와는 달리 입력으로부터 크게 달라져서 거의 직선과 같이 완만함을 알았다. GRNN방법은 모든 샘플의 개산을 꾀하며 포인트간에는 완만하지 못하다. σ가 0.01일때 예상신호와 시뮬레이트신호간의 평균에러는 2.62%가 됨을 알았고 14%의 최대에러는 확인데이터(0.35의 nCs )에 포함되어 있지 않은 가장 낮은 값의 제어신호에 대해 관측되었다. 또한 제어신호가 평균흐름속도에 매우 민감하기 때문에 높은 값의 에서 미세한 에러가 발견되었다.
밸브곡선의 높은쪽의 상대 에러는 이 끝에서 높은 제어신호 절대치때문에 낮은 쪽 끝단에 비해 매우 작다. 그러므로 샘플의 크기와 샘플의 선택은 평탄 파라메터 σ에 따라 매우 중요한 변수이다. 실제로 확인데이터에 nCs 가 0.35인 샘플을 구비함으로써 특정 샘플에 대한 시뮬레이트 제어신호와 예상제어신호간의 에러는 14%로부터 1%이하로 감소되는 한편, 평균에러는 2.62%에서 1.31%로 떨어졌다. 댐퍼/밸브특성의 확인을 위해서는 많아야 오직 200개의 샘플만을 전체 작용범위를 커버하기 위해 필요로 한다. 이는 권한이 0.001,0.01, 0.05 그리고 0.1에서 1까지 0.10씩의 증분사이에서 변화될 수 있는 한편, 제어신호가 0.05, 0.075, 0.01, 0.15, 0.20, 0.25, 0.30, 0.35 그리고 0.40에서 1.0까지 0.1씩의 증분사이에서 변화될 수 있는 것으로 가정함을 기초로 하는 것이다. 모든 기술상태에서 지역 콘트롤러는 200개의 샘플값을 용이하고 신속하게 처리할 수 있다. 그런데 사실상 실제 작용범위를 커버하는 전체 장소의 지점수는 매우 작으며 즉 바람직하기로는 100이하이다.
GRNN방법을 시험하기 위해 0.5 와 0.1 사이의 밸브권한 범위가 선택되었다. 다시, 현재 0.05인 최적 평탄 파라메터 σ를 결정하기 위해 홀드아웃방법이 사용되며, 이는 30개 샘플의 확인데이터크기에 걸쳐 0.189의 제곱에러를 발생시킨다. 확인데이터셋트는 0.10, 0.30 및 0.50의 권한값과 0.10 내지 1.0사이에서 동일한 간격을 갖는 nCs 를 구비하고 있다. 시험데이터셋트는 0.05부터 0.95까지 증분 0.10으로 변화되고 또한 0.20과 0.40의 중간 권한을 구비하고 있다. 약 3.0%의 평균에러는 데이터셋트의 범위에 비해 낮다. 표준속도에 따라 곡선이 매우 가파르게 되는 곳에서 평균보다 높은 다소의 에러들이 높은 값의 제어신호에 대해 발견되었다.
밸브와 댐퍼의 작동범위는 이러한 제어대상을 상징한다. 그러므로 작은 데이터셋트를 사용하여 특성을 나타내기 위해 GRNN을 사용하는 방법은 온라인을 기본으로하고 있는 실시간 콘트롤러에서 구현가능성을 나타내고 있다. 실제의 적용에 있어, 모든 작동범위에 걸친 작동특성은 댐퍼개방면적의 변경에 의해 시운전하는 동안 밝혀질 수 있다. 한번 파악되면 작동특성들은 피이드포워드콘트롤러에 저장되고 GRNN을 사용하는 저장데이터에 의거 제어신호가 발생된다. 피이드백루프를 조정하는데 요하는 시간과 노력은 피이드백루프에 대한 에러신호가 항상 낮은 값을 갖고 있기 때문에 감소하게 된다. 시운전비용과 시간의 감소와 시스템성능의 증진은 건물용 HVAC분배시스템을 위한 피이드포워드콘트롤러와 피이드백콘트롤러의 결합을 장려하는 2가지 주요한 요소이다.
시운전처리중 획득된 측정데이터는 단지 확인절차를 초기화하는데 사용된다. 상기 시스템이 작동을 하고 많은 작동데이터를 수집하기 때문에 그에 따라서 확인데이터가 갱신된다. 피이드포워드와 피이드백의 결합의 본질은 피이드포워드블록을 사용하여 개산의 제어신호를 발생시키는 한편 피이드백블록을 사용하여 세밀하게 처리한다는 것이다. 사실, 피이드포워드블록은 또한 확인블록을 갱신하는 피이드백메카니즘을 갖추고 있다. 그런데, 확인과정은 용이한 구현과 경제성을 고려하여 제어과정과 분리된 상태를 유지하고 있다.
콘트롤러에 GRNN을 구현시키는 또다른 방법은 시뮬레이트 데이터를 사용하여 특성을 발생시키는 것이다. 특성들은 실제 데이터가 이용가능한 상태로 되고 시뮬레이트 데이터를 대체하듯이 저장되고 갱신될 수 있는 것이다.
도 8은 밸브의 전체 작동범위에 걸친 확인데이터와 시험데이터를 나타낸다. 이들은 권한이 0.01에서 1.0까지 변하는 확인셋트에서 각 권한에 대해 0.1에서 1.0 사이에서 변경된 제어신호를 시뮬레이트시킴으로써 획득되었다. 또한 추가적인 샘플들은 낮은 값의 권한과 제어신호에서 시험셋트부터 확인셋트까지 중첩되었다. 확인셋트에 총 60개의 샘플이 사용되었고 시험셋트에 총 150개의 샘플이 사용되었다. σ값을 최적화시키기 위해 권한이 0.01, 0.10, 0.25, 0.50 그리고 1.0인 작은 데이터셋트를 사용하는 홀드아웃방법이 사용되었다. 희박한 값을 갖는 작은 데이터셋트는 아직 도 8에 도시된 데이터셋트에 대해 σ가 0.01인 양호한 선택을 할 수 있게 한다.
시뮬레이트제어신호와 예상제어신호의 비교표는 도 9에 도시되어 있다. 또한, 평균에러보다 높은 에러가 낮은 권한에서와 마찬가지로 큰 제어신호에 대해서도 발생된다. 특정 샘플에 대한 큰 에러는 그 샘플을 확인셋트에 포함시킴으로써 현저히 감소될 수 있다. 이는 밸브 및 댐퍼로 송출된 제어신호와 피이드포워드제어신호에 의해 발생된 제어신호를 비교함으로써 실시간 콘트롤러안에서 용이하게 달성될 수 있는 것이다. 피이드포워드제어신호와 총제어신호간의 차이가 사전에 설정된 고정 임계치보다 증가하는 경우 제어신호와 그에 일치하는 평균 흐름속도 그리고 권한은 확인셋트속으로 되돌려질 수 있다.
마지막으로, GRNN방법은 가열코일의 특성을 확인하는데 이용된다. 도 2에 관해 설명하면, GRNN방법은 주어진 R과 공기흐름속도에 대해 가열코일을 통한 소정 물흐름속도를 예상할 필요가 있다. 임의로 선택된 정상공급공기흐름속도값 와 R에 대한 정상흐름속도 는 에 대한 에너지수지방정식, K에 대한 질량캐패시턴스방정식 및 nCs , 및 를 구하기 위한 정상화방정식을 이용하여 산출될 수 있다. 시뮬레이트 데이터의 일부는 확인목적에 사용되는 한편, 나머지는 GRNN알고리즘을 시험하기 위해 따로 놓아둔다. 시험샘플은 일부러 전 작동범위에 걸쳐 선택된다. 도 9는 확인데이터와 시험데이터를 나타낸다.
예상흐름속도와 시뮬레이트된 평균흐름속도간에 2.6%의 평균에러가 발견되었다. 밸브에서는 한정된 패턴이 명백한 것과는 달리 도 10에 도시된 가열코일에 대해서는 무작위적으로 나타난다. 희박하고 무작위적인 입력데이터의 분포와 같은 높이로 가열코일의 흐름속도를 우수한 정밀도로 예상할 수 있다.
시뮬레이트 데이터에 부가해서 댐퍼의 측정특성은 GRNN을 시험하기 위해 사용된다. 측정값을 구하기 위해 2가지 소오스가 이용된다: 1) 댐퍼운전을 조정하기 위해 취해진 데이터를 시험함, 2) 빌딩자동화시스템(BAS)을 사용하여 작업위치에서 댐퍼운전을 활성화시킴. 첫번째 경우에 있어 도 11에 도시된 바와 같이 3개의 댐퍼 권한에 대한 댐퍼곡선이 실험적으로 발생되었다.
데이터를 얻기 위해 사용된 시험센서는 빌딩자동화시스템에서 통상 사용되는 것과 유사한 것이다. 주어진 제어신호에 대해 댐퍼를 통해 흐르는 흐름속도를 알 수 있게 되며 이는 정상화방정식을 사용하여 정상화 된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제어신호와 흐름속도 및 권한의 측정값을 이용하여 GRNN이 확인되는 한편 권한곡선상의 직접적인 포인트들이 GRNN을 시험하기 위해 이용된다.
시뮬레이트 데이터와 비교에 의하면 도 11의 측정곡선은 예상된 바와 같이 보다 무작위적이다. 낮은 흐름속도에서 3개의 권한곡선은 한 곳으로 모이는데, 이는 댐퍼가 완전히 열린경우 흐름속도를 측정하기가 어려운 것을 나타낸다. 빠른 흐름속도 및 낮은 권한값에서 제어신호를 증가시키는 것은 흐름속도를 증가시키지 못한다. GRNN은 4.30%의 평균정확도로써 측정값을 예상하였는데, 이는 측정 및 데이터수집 시스템에 관련된 에러를 생각하면 양호한 것이다. 홀드아웃방법이 σ가 0.066인 최적의 평탄 파라메터를 결정하기 위해 이용된다. 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이 권한곡선이 매우 민감하게 되는 것처럼 에러가 보다 높은 흐름속도로 증가한다. GRNN에 대한 시험데이터의 범위는 흐름속도의 10% 내지 100%사이의 댐퍼의 평균작동범위에서 선택되었다.
작업위치에 있는 댐퍼에 대한 권한은 데이터를 수집하는 동안 7%로 변하지 않고 남았다. 동일한 흐름속도에 대해서 댐퍼의 제어신호는 높은 흐름속도와 낮은 흐름속도에서 모두 폭 넓게 변경되었다. GRNN출력은 확인데이터에서 사용되고 있는 각 샘플관측을 위해 시험된다. 무가공된 측정값의 사전처리과정은 데이터를 확인하기 위해 GRNN으로 송출하기 전에는 이용하지 않는다. 측정값에 대한 불확실성을 감소시키기 위해 측정값에 사전처리필터가 사용될 수 있다.
제어신호를 예상할 때 GRNN의 정확도는 6%이내인 것으로 나타나고 있다. 또한, 밸브특성의 선형회귀는 7%의 평균에러가 나옴이 나타내져 있다. GRNN방법의 본질은 고정된 평탄 파라메터를 위한 어떤 사용자 입력없이 선형특성 및 비선형특성에서의 예상능력에 있다. 형식을 특정지우기 위한 주요한 사용자 입력인 회귀 툴의 경우에 상기 회귀는 종종 확인을 위한 회귀분에 관한 실제 온라인구현을 제한할 것을 요구하고 있다. 그러므로 그 결과 GRNN의 실행은 선형회귀의 실행을 능가하는 것을 설명하고 있다.
피이드포워드-피이드백 조합 방법은 대부분의 제어신호가 피이드포워드블록으로부터 제공될 수 있도록 함으로써 그에 따라 피이브백블록은 단지 작은 고정 에러만을 처리하기 때문에 적은 조정을 필요로 한다. 피이드백루프와는 달리 피이드포워드루프는 오직 설정위치의 값에 의거 작용을 하고 상기 변수들의 측정값을 요구하지는 않는다. 그 결과, 피이드포워드신호는 설정지점의 변경을 추적할 때 제어속도를 증진시킬 수 있다. 피이드백을 채용하고 있는 대부분의 통상적인 방법은 비례-미분-적분(PID)알고리즘을 사용하는 전형적인 접근방식이며 결합접근방식에 적합한 것이다.
지역 콘트롤러는 도 1내지 도 4에 도시된 장치의 구현에 이용될 수 있는 것으로, 그들은 중형 건물부터 대형건물에서 다수가 발견되어졌으며, 경제성을 위해 충분한 메모리와 처리능력을 갖추고 있다. 간단하고 구현이 용이하며 비용이 저렴함과 아울러 피이드포워드 알고리즘과 피이드백 알고리즘의 결합에 의해 실질적으로 향상된 성능을 제공하는 제어방법이 제공될 수 있다. 가열코일신호와 밸브신호의 동적 응답에 영향을 받는 제어에 반동하는 PID콘트롤러 전반에 걸친 증진을 제공한다. 앞서 설명된 바와 같은 피이드포워드블록에서 이러한 장치들의 정적 특성이 저장되어 갱신된다.
피이드포워드블록과 피이드백블록의 결합은 2가지 방법중 하나로 수행함이 바람직하다. 첫번째 선택으로는 도 4에 도시된 바와 같이, 설정값이 변경이 감지될 때는 언제나 PID알고리즘으로부터 제어신호를 제로로 설정하기 위해 간단한 스위치(50)가 이용될 수 있다. 이는 모델 1로써 확인된다. 단지 피이드포워드블록만이 설정지점이 변경될 때 제어신호를 발생한다. PID출력은 단지 설정지점이 변경되지 않을 때 추가되며 이는 시스템이 고정상태하에 있음을 나타낸다. 이러한 결합방법은 피이드백블록이 오픈 피이드포워드블록에 의해 검출되지 않을 정적상태의 에러에 대해서만 책임질 수 있다는 사실을 기초로 하는 것이다. 확인체계, 측정 및 콘트롤러에서 나오는 불확실에 기인한 비교적 작은 고정 에러를 예상하는 것이 합당하다.
2번째 접근방법으로써 도 5에 도시된 모델 2가 있는 바, 망 콘트롤러의 출력은 피이드포워드출력의 가산, PID출력의 미적분부분, 그리고 PID출력의 비례부의 감산부분의 합산결과이다. 여기서 채용된 로직은 비례출력을 빼므로써 피이드백이 설정위치의 모든 변경에 대해 비활성적으로 남게 하는 것이다. 피이브백은 콘트롤러가 피이드포워드블록에 의해 설정지점변경에 응답할 수 있도록 단지 적분작용과 미분작용만을 제공한다.
상기 2가지 결합모델 모두 응답을 예증하기 위해 간단한 압력제어순서를 사용하여 시뮬레이트되고 서로 비교된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 비록 모델 1이 언더슈트 및 응답시간동안 모델 2에 비해 좀더 양호하게 실행하였지만 두 모델 모두 양호하게 실행하였다. 흐름속도가 감소하는 동안의 그 추세는 흐름속도가 증가하는 동안의 추세와 정확하게 정반대이다. 콘트롤러의 성능은 보다 짧은 샘플기간에서 더욱 크게 향상된다. 샘플시간은 콘트롤러의 처리속도와 통신속도에 관한 함수이며 종종 비용에 좌우된다. 콘트롤러는 1/10초의 샘플시간 또는 초당 10개의 샘플을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
GRNN방법은 제어에 사용하고 있는 순서에 대한 HVAC성분의 특성을 확인하는데 효과적이다. GRNN의 능력은 시뮬레이트 샘플의 관측과 측정 샘플의 관측 모두를 사용하여 선형적인 관계와 비선형적인 관계에서 모두 적용할 수 있는 그 능력에서 확실히 나타나고 있다. 그런데, 전형적인 복귀방적식과는 달리 방정식 항들의 관계에 관한 사전지식은 GRNN을 구현하는데 필요하지 않다. GRNN의 본질은 하드웨어의 구현을 가능하게 하는 신경망구조속에 그 방법을 내장시킬 수 있도록 하는 것이다. 평탄 파라메터는 단지 선택되어야할 필요가 있는 변수이며, 홀드아웃방법이나 기타방법을 사용하여 결정될 수 있다.
작은 데이터셋트는 지역 HVAC제어성분 즉 밸브, 댐퍼 및 가열코일의 특성에 필요로 되기 때문에 GRNN방법은 피이드백콘트롤러와 결합된 피이드포워드블록에서 사용하기 위한 HVAC성분의 정적 성능을 특징화하는데 유용한 수단으로 제공된다. 비록 그 출력 Y가 본 설명에서 스칼라로 처리되더라도 GRNN에 의해 다중 출력이 처리될 수 있다.
측정데이터의 사용결과에 따라 GRNN방법으로 코일과 밸브의 특성을 확인할 때 줄잡아 6%의 에러를 어림계산하는 것이 합리적이다. 그러므로, 제어신호는 8.8%의 평균정확도를 가지고 발생될 수 있다. 피이드백콘트롤러는 10%이하의 잔여 에러를 제거하기 위하여 제어신호를 발생시키기에 적합하다. 또한 피이드백콘트롤러는 에러범위가 고정된 낮은 범위안에 있을 것으로 예상되기 때문에 최소의 조정을 필요로 한다.
고정상태하에서 PID콘트롤러를 사용하는 도 4에 도시된 연합 모델 1은 도 5에 도시된 모델 2에 비해 실내압력제어에 대해 보다 우수한 성능을 나타내었다.
상기한 바와 같이 강력한 제어능력을 갖추고 있으면서 간단하고 구현하기가 용이하며 비용이 저렴한 한편 피이드포워드알고리즘과 피이드백알고리즘의 결합에 의해 실질적인 성능이 증진된 콘트롤러에 대해 설명되고 도시되어 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 여러 실시예에 대해 도시되고 설명되어 있지만 다른 형태로의 수정, 대체 및 변경할 수 있음은 당기술분야에서 통상의 지식을 가지고 있는 자는 명백히 알 수 있는 것이며, 그러한 수정, 대체 및 변경은 청구범위에 의해 결정되는 본 발명의 기술사상과 범위를 벗어남이 없이 가능한 것이다.

Claims (14)

  1. 실내로 공기를 공급하는 공급관과 실내의 공기를 배출하는 배기관을 갖추고 있는 난방, 환기 및 공조(HVAC)시스템을 구비하고 있고 상기 HVAC시스템은 실내로 공급되는 공기의 흐름을 조절하는 요소를 구비하고 있는 한편 상기 HVAC시스템과는 독립된 적어도 하나의 추가적인 배기수단을 구비하고 있는 실내를 구비하고 있는 빌딩에서 최소한 하나의 인접 실내가 있는 실내의 압력을 조절하기 위한 실내압력조절장치에 있어서,
    상기 공급관과 배기관의 소정흐름설정치와 상기 수단의 특성 즉, 실내로 유입되는 공기의 흐름속도와 실내에서 흘러나가는 배기공기의 흐름속도 및 산출된 시스템변수에 의거 피이드포워드제어신호를 발생시키는 피이드포워드수단,
    측정된 시스템변수에 따라 피이드백제어신호를 발생시키는 피이드백수단, 그리고
    상기 지역적 수단의 제어를 위해 피이드포워드제어신호와 피이드백제어신호를 결합시키는 수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 실내압력조절장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공기흐름조절요소는 공급용 댐퍼/액츄에이터, 배기용 댐퍼/액츄에이터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 실내압력조절장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 확인 특성은 실내로 유입되는 공기흐름속도, 실내로 유입되는 공기흐름속도설정치, 피이드포워드제어신호, 실내에서 흘러나가는 배기공기의 흐름속도 그리고 실내에서 나가는 배기공기의 흐름속도설정치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 실내압력조절장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 확인특성은 공급용 댐퍼/액츄에이터의 권한과 일반 배기 댐퍼/액츄에이터의 권한을 추가로 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 실내압력조절장치.
  5. 공기공급관, 적어도 하나의 일반 공기 배기관 그리고 빌딩내의 인접 공간에 대해 사전에 설정된 압력차를 유지하도록 실내로의 공기 유입 및 배출을 조절하기 위한 실내압력조절장치를 구비하고 있는 특정 실내안에서 적어도 공기압력에 영향을 주는 빌딩 난방, 환기 및 공조(HVAC) 유체분배시스템의 구성요소를 제어하는 실내압력조절장치에 있어서,
    상기 제어될 구성요소의 확인특성을 주기적으로 발생시키는 확인수단,
    실내로 유입되는 공기의 질량이 실내로부터 배출되는 공기의 질량과 실질적으로 동일하게 되도록 결정되는 제어설정치와 상기 구성요소의 확인특성을 기초로 피이드포워드제어신호를 발생시키도록 확인수단이 결합되어 있는 피이드포워드수단,
    측정된 시스템변수를 기초로 피이드백제어신호를 발생시키는 피이드백수단,
    지역 구성요소의 제어를 위해 피이드포워드제어신호와 피이드백제어신호를 결합시키는 수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 실내압력조절장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어설정치는 공급공기의 흐름속도설정치와 일반 배기 공기의 흐름속도설정치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 실내압력조절장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어설정치는 상기 확인특성의 변화함수로써 적합하게 변경됨을 특징으로 하는 실내압력조절장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 구성요소는 공급공기 댐퍼/액츄에이터와 일반 배기 댐퍼/액츄에이터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 실내압력조절장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 확인특성은 상기 댐퍼/액츄에이터의 권한을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 실내압력조절장치.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 공급공기 흐름속도설정치( )는 다음식
    (여기서
    Δp｜sp= pref｜sp- p｜sp 및
    이고
    그리고
    Ps｜sp 는 공급공기압력설정치,
    Ts｜sp 는 공급공기온도설정치,
    는 공급공기흐름속도설정치,
    Pad｜sp 는 침윤공기압력설정치,
    Tad｜sp 는 침윤공기온도설정치,
    는 침윤공기흐름속도설정치,
    P｜sp 는 실내압력설정치,
    는 배기흐름속도설정치,
    T｜sp 는 실내온도설정치)
    으로부터 결정된 것을 특징으로 하는 실내압력조절장치.
  11. 제 3 항에 있어서, 상기 댐퍼의 상기 확인특성은 일반회귀신경망(GRNN)에 의해 결정된 것을 특징으로 하는 실내압력조절장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 확인특성은 다음 식
    에 의해 결정된 것을 특징으로 하는 실내압력조절장치.
  13. 제 5 항에 있어서, 상기 댐퍼의 상기 확인특성은 일반회귀신경망(GRNN)에 의해 결정된 것을 특징으로 하는 실내압력조절장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 확인특성은 다음 식
    에 의해 결정된 것을 특징으로 하는 실내압력조절장치.
KR1019980047494A 1997-11-07 1998-11-06 피이드포워드/피이드백 제어기능을 갖춘 실내압력조절장치 및그 제어방법 KR19990045076A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/965,982 US6033302A (en) 1997-11-07 1997-11-07 Room pressure control apparatus having feedforward and feedback control and method
US8/965,982 1997-11-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR19990045076A true KR19990045076A (ko) 1999-06-25

Family

ID=25510770

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019980047494A KR19990045076A (ko) 1997-11-07 1998-11-06 피이드포워드/피이드백 제어기능을 갖춘 실내압력조절장치 및그 제어방법

Country Status (10)

Country Link
US (1) US6033302A (ko)
EP (1) EP0915300A3 (ko)
JP (1) JPH11218354A (ko)
KR (1) KR19990045076A (ko)
CN (1) CN1107205C (ko)
AU (1) AU743848B2 (ko)
CA (1) CA2237236C (ko)
IL (1) IL126493A (ko)
NZ (1) NZ332250A (ko)
TW (1) TW367399B (ko)

Families Citing this family (56)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8172546B2 (en) 1998-11-23 2012-05-08 Entegris, Inc. System and method for correcting for pressure variations using a motor
US6716359B1 (en) * 2000-08-29 2004-04-06 United States Filter Corporation Enhanced time-based proportional control
DE10118224C1 (de) * 2001-04-12 2002-10-31 Stiebel Eltron Gmbh & Co Kg Verfahren zur Einstellung eines Soll-Luftvolumenstroms bei einem Lüftungsgerät und Lüftungsgerät
US6644092B1 (en) 2001-05-14 2003-11-11 Robert J. Oppel Automatic calibration of pressure sensors for paint booth airflow control
US7117045B2 (en) * 2001-09-08 2006-10-03 Colorado State University Research Foundation Combined proportional plus integral (PI) and neural network (nN) controller
NZ571299A (en) * 2002-12-09 2010-01-29 Hudson Technologies Inc Method and apparatus for optimizing refrigeration systems
US6758744B1 (en) 2003-03-17 2004-07-06 Rongqing Dai Building interior air pressure control system
KR20050010527A (ko) * 2003-07-21 2005-01-28 바이오공조시스템주식회사 바이오 룸 차압제어 시스템 및 그 제어방법
US7212887B2 (en) * 2004-01-20 2007-05-01 Carrier Corporation Service and diagnostic tool for HVAC systems
WO2005103576A2 (en) 2004-04-22 2005-11-03 Stirling Technology, Inc. Heat and energy recovery ventilators and methods of use
KR101231945B1 (ko) 2004-11-23 2013-02-08 엔테그리스, 아이엔씨. 가변 홈 위치 토출 장치용 시스템 및 방법
US20060112701A1 (en) * 2004-11-30 2006-06-01 Halliburton Energy Services, Inc. Methods and systems for controlling rate and output of heat exchanger fluids
RU2294491C2 (ru) * 2004-12-08 2007-02-27 Юрий Петрович Нешитов Способ регулировки давления воздуха в помещении и устройство для его осуществления
US8753097B2 (en) * 2005-11-21 2014-06-17 Entegris, Inc. Method and system for high viscosity pump
EP2894332B1 (en) 2005-11-21 2016-08-17 Entegris, Inc. System and method for a pump with reduced form factor
US7547049B2 (en) * 2005-12-02 2009-06-16 Entegris, Inc. O-ring-less low profile fittings and fitting assemblies
US7878765B2 (en) * 2005-12-02 2011-02-01 Entegris, Inc. System and method for monitoring operation of a pump
DE602006021614D1 (de) * 2005-12-02 2011-06-09 Entegris Inc E/a-systeme, verfahren und einrichtungen zur anschaltung einer pumpensteuerung
US7850431B2 (en) * 2005-12-02 2010-12-14 Entegris, Inc. System and method for control of fluid pressure
US8083498B2 (en) 2005-12-02 2011-12-27 Entegris, Inc. System and method for position control of a mechanical piston in a pump
KR101243509B1 (ko) 2005-12-02 2013-03-20 엔테그리스, 아이엔씨. 펌프에서의 압력 보상을 위한 시스템 및 방법
WO2007067342A2 (en) * 2005-12-02 2007-06-14 Entegris, Inc. System and method for valve sequencing in a pump
JP5345853B2 (ja) * 2005-12-05 2013-11-20 インテグリス・インコーポレーテッド ポンプのための誤差容積システムおよび方法
TWI402423B (zh) * 2006-02-28 2013-07-21 Entegris Inc 用於一幫浦操作之系統及方法
US7684446B2 (en) * 2006-03-01 2010-03-23 Entegris, Inc. System and method for multiplexing setpoints
US7494265B2 (en) * 2006-03-01 2009-02-24 Entegris, Inc. System and method for controlled mixing of fluids via temperature
US9605856B2 (en) * 2006-03-02 2017-03-28 Siemens Industry, Inc. Air pressure control system and method
JP2008232531A (ja) * 2007-03-20 2008-10-02 Toshiba Corp リモート性能監視装置及びリモート性能監視方法
US7966104B2 (en) * 2007-03-26 2011-06-21 Siemens Corporation Apparatus and method for the control of the indoor thermal environment having feed forward and feedback control using adaptive reference models
US20080277486A1 (en) * 2007-05-09 2008-11-13 Johnson Controls Technology Company HVAC control system and method
US20080281439A1 (en) * 2007-05-09 2008-11-13 Johnson Controls Technology Company Building automation systems and methods
US20090065596A1 (en) * 2007-05-09 2009-03-12 Johnson Controls Technology Company Systems and methods for increasing building space comfort using wireless devices
US20090045939A1 (en) * 2007-07-31 2009-02-19 Johnson Controls Technology Company Locating devices using wireless communications
US8727227B2 (en) 2008-06-30 2014-05-20 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Optimizing fluid flow distribution in a structure
US8326464B2 (en) * 2008-08-29 2012-12-04 Trane International Inc. Return fan control system and method
JP5085716B2 (ja) * 2010-11-02 2012-11-28 株式会社東芝 サーバ室管理用の空調システム、およびこれを利用したサーバ管理用システム、空調制御方法
JP5778475B2 (ja) * 2011-05-13 2015-09-16 アズビル株式会社 室圧制御システム
CN102914023B (zh) * 2011-08-02 2015-04-08 珠海格力电器股份有限公司 空调器的控制方法、终端和系统
US10653044B2 (en) * 2013-01-10 2020-05-12 International Business Machines Corporation Energy efficiency based control for a cooling system
DK2866117T3 (en) * 2013-10-25 2017-05-22 Fourdeg Oy System and method for distributed adaptive and predictive heating control
PL2910865T3 (pl) 2014-02-21 2017-02-28 Plum Sp. Z O.O. Układ do i sposób sterowania wentylatorem wdmuchującym powietrze do przestrzeni chronionej, zwłaszcza w wentylacji pożarowej do ochrony dróg ewakuacji
TW201600172A (zh) * 2014-06-20 2016-01-01 金永德實驗室設備有限公司 智慧氣簾排氣櫃
US10684030B2 (en) 2015-03-05 2020-06-16 Honeywell International Inc. Wireless actuator service
US9851727B2 (en) 2015-05-28 2017-12-26 Carrier Corporation Coordinated control of HVAC system using aggregated system demand
US10839302B2 (en) 2015-11-24 2020-11-17 The Research Foundation For The State University Of New York Approximate value iteration with complex returns by bounding
US10352578B2 (en) 2016-06-09 2019-07-16 Board Of Regents, The University Of Texas System Adaptive optimization for dynamic room pressurization control
US9953474B2 (en) 2016-09-02 2018-04-24 Honeywell International Inc. Multi-level security mechanism for accessing a panel
CN109932899B (zh) * 2017-12-15 2022-02-08 蓝星（北京）技术中心有限公司 化工产品生产中反应温度的优化控制方法及系统
US11168916B2 (en) 2018-06-11 2021-11-09 Broan-Nutone Llc Ventilation system with automatic flow balancing derived from a neural network and methods of use
US11960261B2 (en) 2019-07-12 2024-04-16 Johnson Controls Tyco IP Holdings LLP HVAC system with sustainability and emissions controls
US11761660B2 (en) * 2019-01-30 2023-09-19 Johnson Controls Tyco IP Holdings LLP Building control system with feedback and feedforward total energy flow compensation
US10832509B1 (en) 2019-05-24 2020-11-10 Ademco Inc. Systems and methods of a doorbell device initiating a state change of an access control device and/or a control panel responsive to two-factor authentication
US10789800B1 (en) 2019-05-24 2020-09-29 Ademco Inc. Systems and methods for authorizing transmission of commands and signals to an access control device or a control panel device
US11714393B2 (en) 2019-07-12 2023-08-01 Johnson Controls Tyco IP Holdings LLP Building control system with load curtailment optimization
US11274842B2 (en) 2019-07-12 2022-03-15 Johnson Controls Tyco IP Holdings LLP Systems and methods for optimizing ventilation, filtration, and conditioning schemes for buildings
EP3940497B1 (en) * 2020-07-15 2023-03-15 Siemens Schweiz AG Maximum flow setting

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1161140A (en) * 1979-11-09 1984-01-24 Graeme J. Lowe Control of the atmosphere in an enclosure
US4817864A (en) * 1986-08-28 1989-04-04 Honeywell Inc. Temperature compensation for vav system
US5541833A (en) * 1987-03-30 1996-07-30 The Foxboro Company Multivariable feedforward adaptive controller
US5092227B1 (en) * 1990-09-28 1995-02-14 Landis & Gyr Powers Inc Apparatus for controlling the ventilation of laboratory fume hoods
US5090303A (en) * 1990-09-28 1992-02-25 Landis & Gyr Powers, Inc. Laboratory fume hood control apparatus having improved safety considerations
US5764579A (en) * 1990-10-01 1998-06-09 American Auto-Matrix, Inc. System for controlling laboratories with fume hoods
US5304093A (en) * 1992-01-17 1994-04-19 Phoenix Controls Corporation Method and apparatus for controlling a fluid flow valve
CA2089339C (en) * 1992-02-11 2002-03-12 Manfred L. Belusa Space pressurization control system for high containment laboratories
US5720658A (en) * 1992-02-11 1998-02-24 Belusa; Manfred L. Space pressurization control system for high containment laboratories
US5385505A (en) * 1993-07-02 1995-01-31 Phoenix Controls Corporation Pressure maintenance system for substantially sealed space
US5810657A (en) * 1994-11-22 1998-09-22 Lighthouse Associates, Inc. Controller to maintain a certain set of environmental parameters in an environment
US5573181A (en) * 1995-01-06 1996-11-12 Landis & Gyr Powers, Inc. Global control of HVAC distribution system

Also Published As

Publication number Publication date
EP0915300A3 (en) 2001-11-28
IL126493A0 (en) 1999-08-17
CA2237236A1 (en) 1999-05-07
CN1224139A (zh) 1999-07-28
IL126493A (en) 2001-07-24
NZ332250A (en) 1999-03-29
JPH11218354A (ja) 1999-08-10
CA2237236C (en) 2003-09-16
TW367399B (en) 1999-08-21
CN1107205C (zh) 2003-04-30
EP0915300A2 (en) 1999-05-12
US6033302A (en) 2000-03-07
AU8932498A (en) 2000-06-08
AU743848B2 (en) 2002-02-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR19990045076A (ko) 피이드포워드/피이드백 제어기능을 갖춘 실내압력조절장치 및그 제어방법
KR19990045075A (ko) 피이드포워드/피이드백 제어기능을 갖춘 실내온도조절장치 및그 제어방버뷰
Okochi et al. A review of recent developments and technological advancements of variable-air-volume (VAV) air-conditioning systems
Nassif Modeling and optimization of HVAC systems using artificial neural network and genetic algorithm
US8316926B2 (en) Arrangement and method for automatically determined time constant for a control device
Haves et al. Condition monitoring in HVAC subsystems using first principles models
JP4336209B2 (ja) 伝熱システムおよび伝熱方法
Moradi et al. Nonlinear multivariable control and performance analysis of an air-handling unit
US7024254B2 (en) Method for controlling a discrete system
Maasoumy et al. Selecting building predictive control based on model uncertainty
KR980010210A (ko) 난방환기공기조절(hvac) 시스템에서 자동화된 분기유량조정
Ghiaus et al. Grey-box identification of air-handling unit elements
Asad et al. Multiplexed real-time optimization of HVAC systems with enhanced control stability
Siddiqui et al. Integration of multivariate statistical process control and engineering process control: a novel framework
Salsbury A temperature controller for VAV air-handling units based on simplified physical models
Razban et al. Modelling of air handling unit subsystem in a commercial building
CN110234933B (zh) 液体循环系统及用于操作此液体循环系统的方法
Singh et al. Adaptive control of multivariable thermal processes in HVAC systems
US20230314030A1 (en) Critical environment feedforward-feedback control system with room pressure and temperature control
Bogdanovs et al. Smith Predictor for Control of the Temperature Process with Long Dead Time.
Kharchenko Modern possibilities of intelligent climate control for enclosed spaces
Sanama et al. PID‐MPC Implementation on a Chiller‐Fan Coil Unit
Hussein PI control of air temperature and humidity with a chilled water system
Osman et al. Feedforward-feedback controller using general regression neural network (GRNN) for laboratory HVAC system: Part I--pressure control
Li Dynamic modeling and comparison of control algorithms for building conditioning systems

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid