(57)【要約】【課題】演算処理を簡易なものにしつつ、モータの回転数制御の応答性などが優れ、整定時間を短くすることが可能な制御装置を提供する。【解決手段】モータＭのフィードフォワード制御部２０を、備えている、制御装置Ａであって、操作入力値ＦＦ〔ｎ〕は、第１および第２のフィードフォワード値ＦＦ1，ＦＦ2を含み、第１のフィードフォワード値ＦＦ1は、操作入力値ＦＦ〔ｎ〕とモータＭの回転数との間の入出力特性にしたがってモータＭの回転数を制御目標値とするように制御目標値に応じて定められる値とされ、第２のフィードフォワード値ＦＦ2は、制御目標値が変化したときに、操作入力値ＦＦ〔ｎ〕の変化幅を第１のフィードフォワード値ＦＦ1のみの変化幅よりも大きくするように第１のフィードフォワード値ＦＦ1に加算または減算される値であり、かつ絶対値が経時的に減衰する値である。【選択図】  図２
2020036387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの回転数を制御目標値に制御するための操作入力値を演算し、かつこの演算された操作入力値を用いて前記モータをフィードフォワード制御するフィードフォワード制御部を、備えている、制御装置であって、
前記操作入力値は、第１および第２のフィードフォワード値を含み、
前記第１のフィードフォワード値は、前記操作入力値と前記モータの回転数との間の入出力特性にしたがって前記モータの回転数を前記制御目標値とするように前記制御目標値に応じて定められる値とされ、
前記第２のフィードフォワード値は、前記制御目標値が変化したときに、前記操作入力値の変化幅を前記第１のフィードフォワード値のみの変化幅よりも大きくするように前記第１のフィードフォワード値に加算または減算される値であり、かつ絶対値が経時的に減衰する値とされていることを特徴とする、制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の制御装置であって、
前記第２のフィードフォワード値は、前記制御目標値の変化幅が大きいほど変化幅が大きくなるように、前記制御目標値の変化幅に対応して値が変化する項を含んでいる、制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の制御装置であって、
前記第２のフィードフォワード値は、前回の制御周期における第２のフィードフォワード値に、１未満かつ０よりも大きい定数を乗じた項を含んでいる、制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の制御装置であって、
制御周期のｎ回目における前記第２のフィードフォワード値は、これをＦＦ2〔ｎ〕とすると、次の式１で求められ、
【数１】
2020036387.tif 000006
ただし、
α，β：定数であり、βは、０＜β＜１であり、
ｒ〔ｎ〕：今回であるｎ回目における制御目標値
ｒ〔ｎ−１〕：前回である（ｎ−１）回目における制御目標値
ｋ〔ｎ〕：今回であるｎ回目における定数（ゲイン）
である、制御装置。
【請求項５】
バーナと、このバーナに燃焼用空気を供給するためのファンを駆動するモータと、を備えている、燃焼装置であって、
前記モータの回転数制御手段として、請求項１ないし４のいずれかに記載の制御装置が用いられていることを特徴とする、燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファン駆動用などのモータの回転数制御を行なうための制御装置、およびこれを備えた燃焼装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、給湯装置に具備された燃焼装置においては、バーナの駆動燃焼の空燃比の適正化を図るべく、バーナに燃焼用空気を供給するファンの駆動用モータの回転数制御が行なわれている。この制御において、その伝達係数Ｇ(s)が、次の式２で示す無駄時間を含む１次遅れ系に近似する場合が多い。
【数１】
2020036387.tif 000003
ただし、
k:ゲイン(定数)
L:無駄時間
T:時定数
である。
【０００３】
このような場合、制御プログラムや制御回路が想定するkの値と、ファンの実際の制御系のそれとが十分に近ければ、たとえばフィードバック制御（以下、「ＦＢ制御」と適宜略称）であるＰＩ補償制御であっても、迅速な制御が可能である。また、ＰＩ補償制御に加え、kの値を順次更新していく可変フィードフォワード制御（以下、フィードフォワード制御は「ＦＦ制御」と適宜略称）を併用することにより、最適係数を用いたＰＩ制御よりも整定時間を短くし、精度のよい制御が可能である。
【０００４】
しかしながら、従来においては、ＦＢ制御である比例（Ｐ）補償制御によって、整定の加速を行なっているため、比例定数kpが、時定数Ｔと無駄時間Ｌとの比（Ｔ／Ｌ）に比例した最適値とされればよいが、その値が大き過ぎるとオーバシュートやアンダシュートが起こる。また、その値が小さ過ぎると応答性が悪く、整定時間が長くなる。このように従来の制御手法によれば、未だ改善の余地がある。
なお、無駄時間Ｌの影響なく比例（Ｐ）補償制御を行なうための手法としては、近似スミス補償演算を行なうといった手法もあるが、この手法によれば、高性能の演算資源を必要とし、装置の高コスト化を招く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第６３０７９６５号公報
【特許文献２】特許第２５２６７３７号公報
【特許文献３】特許第６２５５７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、演算処理を簡易なものにしつつ、モータの回転数制御の応答性などが優れ、整定時間を短くすることが可能な制御装置、およびこれを備えた燃焼装置を提供することを、その課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
【０００８】
本発明の第１の側面により提供される制御装置は、モータの回転数を制御目標値に制御するための操作入力値を演算し、かつこの演算された操作入力値を用いて前記モータをフィードフォワード制御するフィードフォワード制御部を、備えている、制御装置であって、前記操作入力値は、第１および第２のフィードフォワード値を含み、前記第１のフィードフォワード値は、前記操作入力値と前記モータの回転数との間の入出力特性にしたがって前記モータの回転数を前記制御目標値とするように前記制御目標値に応じて定められる値とされ、前記第２のフィードフォワード値は、前記制御目標値が変化したときに、前記操作入力値の変化幅を前記第１のフィードフォワード値のみの変化幅よりも大きくするように前記第１のフィードフォワード値に加算または減算される値であり、かつ絶対値が経時的に減衰する値とされていることを特徴としている。
【０００９】
このような構成によれば、後述する実施形態の説明からよく理解できるように、モータの回転数制御の系の伝達関数が、前記した式２のような無駄時間を含む１次遅れ系、またはこれに近似する系である場合に、無駄時間によって整定性が影響を受けないようにし、無駄時間の影響は、出力の遅れとなってのみ現れるものとして、制御目標値が変化した際における出力のオーバシュートやアンダシュートも殆ど生じないものとすることができる。したがって、モータの回転数制御を応答性などに優れたものとし、整定時間の短縮化などを適切に図ることが可能となる。
操作入力値は、比較的簡単な演算処理により算出することが可能であり、高性能の演算資源を用いる必要をなくすこともできる。
【００１０】
本発明において、前記第２のフィードフォワード値は、前記制御目標値の変化幅が大きいほど変化幅が大きくなるように、前記制御目標値の変化幅に対応して値が変化する項を含んでいる。
【００１１】
このような構成によれば、制御目標値の変化幅が大きい場合には、操作入力値もそれに対応して大きな値とすることができるために、制御目標値の変化に対する出力の遅れを少なくする上で、より好ましいものとなる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、前記第２のフィードフォワード値は、前回の制御周期における第２のフィードフォワード値に、１未満かつ０よりも大きい定数を乗じた項を含んでいる。
【００１３】
このような構成によれば、第２のフィードフォワード値を経時的に変化させることを簡易に実現することができる。また、第１および第２のフィードフォワード値を含む操作入力値の変化を円滑に減衰させることができるので、制御目標値が変化した際における出力のオーバシュートやアンダシュートを小さく上で、より好ましいものとなる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、制御周期のｎ回目における前記第２のフィードフォワード値は、これをＦＦ2〔ｎ〕とすると、次の式１で求められ、
【数２】
2020036387.tif 000004
ただし、
α，β：定数であり、βは、０＜β＜１であり、
ｒ〔ｎ〕：今回であるｎ回目における制御目標値
ｒ〔ｎ−１〕：前回である（ｎ−１）回目における制御目標値
ｋ〔ｎ〕：今回であるｎ回目における定数（ゲイン）
である。
【００１５】
このような構成によれば、式１の第１項により、制御目標値の変化が大きいほど、操作入力値を大きくするなど、制御目標値の変化に対応させて操作入力値を変化させることができる。また、式１の第２項により、第２のフィードフォワード値、ひいては操作入力値を経時的に減衰させることができる。
【００１６】
本発明の第２の側面により提供される燃焼装置は、バーナと、このバーナに燃焼用空気を供給するためのファンを駆動するモータと、を備えている、燃焼装置であって、前記モータの回転数制御手段として、本発明の第１の側面により提供される制御装置が用いられていることを特徴としている。
【００１７】
このような構成によれば、本発明の第１の側面により提供される制御装置について述べたのと同様な効果が得られる。その結果、バーナの駆動燃焼時における空燃比を所望の適正な比率にする制御の応答性の向上、および高精度化を適切に図ることが可能となる。
【００１８】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る燃焼装置を用いて構成された給湯装置の一例を示す説明図である。
【図２】図１の燃焼装置で実施されるフィードフォワード制御の一例を示すグラフである。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、図２に示すフィードフォワード制御の他の例を示すグラフである。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、図３に示すフィードフォワード制御との対比例を示すグラフである。
【図５】本発明の他の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００２１】
図１に示す給湯装置ＷＨは、燃焼装置Ｃに、熱交換器１およびこれに関連する後述の機器を組み合わせて構成されており、燃焼装置Ｃを含む給湯装置ＷＨの各部は、マイクロコンピュータなどを用いて構成された給湯制御部２により制御され、この給湯制御部２を含んで後述するファンモータＭを制御するための制御装置Ａが構成されている。
【００２２】
燃焼装置Ｃは、燃料ガスを燃焼させるバーナ３、このバーナ３に燃焼用空気を供給するためのファン４、その駆動用のファンモータＭ（本発明でいうモータの一例に相当）、およびこのファンモータＭのドライバ５を備えている。給湯制御部２は、ファンモータＭをＦＦ制御するためのフィードフォワード制御部２０を含んでおり、このフィードフォワード制御部２０の操作入力値演算部２０ａにおいては、ファンモータＭをＦＦ制御するための後述する操作入力値ＦＦ〔ｎ〕が演算され、かつこれに対応したデューティ比のＰＷＭ信号がドライバ５に出力される。ドライバ５は、ＰＷＭ信号をＤ／Ａ変換し、ＰＷＭ信号のデューティ比に対応した電圧をファンモータＭに印加する。ファンモータＭ（およびファン４）の回転数（回転速度）は、前記電圧に対応した回転数となる。勿論、これに代えて、ファンモータＭの回転速度を、電流の変化により制御させる構成にも本発明を適用す
ることができる。
【００２３】
この給湯装置ＷＨにおいては、バーナ３を駆動し、熱交換器１を流通する湯水を加熱し、温水を生成する場合、給湯制御部２において、次のような制御が行なわれる。
すなわち、バーナ３の駆動燃焼時には、まずバーナ３による燃料ガスの目標燃焼量ＴＣが演算される。目標燃焼量ＴＣは、温度センサＳ１および流量センサＳ２を利用して検出される熱交換器１への入水温度および入水量、目標出湯温度、燃料ガスの発熱量などに基づいて算出される。次いで、この演算された目標燃焼量ＴＣに応じて、バーナ３の駆動燃焼時の空燃比を適正な値とするのに必要とされるファンモータＭの目標回転数（制御目標値）が設定され、ファンモータＭの回転数（実回転数）を前記目標回転数にするための手段として、後述するＦＦ制御が実行される。なお、これに伴い、バーナ３への燃料ガス供給量は、流量調整弁Ｖ１を用いて調整される。このような一連の制御は、所定の制御周期で繰り返し実行される。
【００２４】
フィードフォワード制御部２０における操作入力値演算部２０ａにおいては、ファンモータＭの回転数制御を行なうための操作入力値ＦＦ〔ｎ〕が、所定の制御周期で演算されるが、この操作入力値ＦＦ〔ｎ〕は、次の式３で求められる。
（入力）〔ｎ〕＝ＦＦ〔ｎ〕
＝ＦＦ1〔ｎ〕＋ＦＦ2〔ｎ〕      …式３
ただし、
ｎは自然数であり、制御周期の回目を示す変数である。
【００２５】
式３において、第１項のＦＦ1〔ｎ〕は、第１のフィードフォワード値であり、従来の可変ＦＦ制御による項に相当する。
つまり、伝達関数Ｇ(ｓ)が、先に述べた式２に近似する系である場合、
ＦＦ1〔ｎ〕＝ｒ〔ｎ〕／k〔ｎ〕
ただし、
ｒ〔ｎ〕：今回であるｎ回目における制御目標値
ｋ〔ｎ〕：今回であるｎ回目における定数（ゲイン）
である。
なお、k〔ｎ〕は更新されていく。この第１のフィードフォワード値ＦＦ1のみで、ある程度の時間が経てば、出力は目標値と一致することとなる。
【００２６】
式３において、第２項のＦＦ2〔ｎ〕は、第２のフィードフォワード値であり、たとえば次の式１である。
【数３】
2020036387.tif 000005
ただし、
α，β：定数であり、βは、０＜β＜１であり、試験あるいはシミュレーションなどによって最適または最適に近い値として求めることができる。
ｒ〔ｎ−１〕：前回である（ｎ−１）回目における制御目標値
である。
【００２７】
式１に示す第２のフィードフォワード値ＦＦ2は、第１のフィードフォワード値ＦＦ1に対する加算項であり、この第２のフィードフォワード値ＦＦ2のうち、第１項は、ファンモータＭの目標回転数が変化しない場合には、ゼロであり、目標回転数の変化幅が大きい場合には、この第１項の値も大きくなり、また逆に、目標回転数の変化幅が小さい場合には、この第１項の値も小さくなる。したがって、目標回転数が大きく変化したとしても、
第１のフィードフォワード値ＦＦ1に対する第２のフィードフォワード値ＦＦ2の上積み量が、それに対応して大きくなり、出力の応答性をよくすることができる。
【００２８】
第２のフィードフォワード値ＦＦ2のうち、第２項は、経時的に値が減衰する項である。したがって、目標回転数が一旦変化した後に、この目標回転数の一定状態が維持された場合には、第２のフィードフォワード値ＦＦ2の全体が経時的に減衰し、やがてゼロとなる。
【００２９】
次に、前記した燃焼装置Ｃを備えた給湯装置ＷＨの作用について説明する。
【００３０】
まず、前記した操作入力値ＦＦ〔ｎ〕を利用したファンモータＭのフィードフォワード制御においては、目標回転数（制御目標値）、操作入力値ＦＦ〔ｎ〕、およびファンモータＭの回転数（出力）は、たとえば図２に示すような態様となる。
【００３１】
図２において、時刻ｔ１に目標回転数が上昇しているが、その際には操作入力値ＦＦ〔ｎ〕も上昇する。操作入力値ＦＦ〔ｎ〕は、第１のフィードフォワード値ＦＦ1に、第２のフィードフォワード値ＦＦ2を加算したものとなる。したがって、出力であるファンモータＭの回転数の上昇は迅速になされ、応答性をよくすることができる。第２のフィードフォワード値ＦＦ2は、その後は経時的に減衰するため、出力のオーバシュートも殆ど生じないようにし、整定時間を短くすることができる。
【００３２】
図２において、時刻ｔ２には、目標回転数がさらに上昇しているが、この場合についても、前記したのと同様に、第１のフィードフォワード値ＦＦ1に、第２のフィードフォワード値ＦＦ2を加算したものとなる。第２のフィードフォワード値ＦＦ2は、目標回転数の変化幅に対応したものとなるため、操作入力値ＦＦ〔ｎ〕を目標回転数の変化幅に最適な値とすることが可能である。
【００３３】
時刻ｔ３には、目標回転数が低下しているが、その際には、操作入力値ＦＦ〔ｎ〕も低くなる。この場合、第２のフィードフォワード値ＦＦ2は、負の値となるが、これが第１のフィードフォワード値ＦＦ1に加算される。また、この第２のフィードフォワード値ＦＦ2は、その後経時的に減衰する。したがって、目標回転数が上昇する場合と同様に、応答性をよくし、またアンダシュートも殆ど生じないようにし、整定時間を短くすることができる。
【００３４】
図４は、本実施形態との対比例を示している。この対比例は、前記した給湯装置ＷＨにおいて、ファンモータＭをＰ補償制御した場合である。同図（ａ）〜（ｄ）は、（Ｌ／Ｔ）の値が、「０」，「０．５」，「１」，「２」とされた場合をそれぞれ示している。この対比例では、（Ｌ／Ｔ）の値が大きくなるに連れて、オーバシュートが大きくなり、整定時間が長くなる。
【００３５】
これに対し、図３は、ファンモータＭを本実施形態の上述したＦＦ制御した場合を示し、図４に示す場合と定数ｋpが同一に揃えられ、また（Ｌ／Ｔ）の値も図４に示す場合と同様に、「０」，「０．５」，「１」，「２」と変化させた場合を示している。図３に示す本実施形態の場合には、図４の対比例と比較して、無駄時間Ｌの影響は、出力の遅れとしてのみ現れる。オーバシュートやアンダシュートは、殆どない。図３の対比例との比較からみても、図４に示す本実施形態によれば、早期の整定が可能となることが理解できる。
【００３６】
一般的に、Ｐ補償による入力の追加がオーバシュートやアンダシュートを起こすのは、これがそもそもフィードバック制御であり、系には無駄時間が存在するためである。これ
に対し、本実施形態では、目標値の変更があった際に、応答性を速めるのに必要な入力の追加をフィードフォワード入力している。このため、系の応答に無駄時間の影響を受けないものとなる。
また、Ｐ補償制御を廃することにより、外乱要素に対する迅速な修復はできなくなるが、本実施形態の制御系には、外乱要素が極めて稀であり、短時間の外乱には逐一応答する必要はない。また、比較的長時間継続する外乱に対しては、可変ＦＦ制御が整定を担うこととなり、とくに問題はない。
【００３７】
ただし、ファンモータＭの制御方法として、フィードフォワード制御に加え、フィードバック制御を加えた構成とすることも可能である。具体的には、図１の仮想線で示すように、ファンモータＭの回転数を検出するための回転数検出器９をさらに設けることにより、ファンモータＭの回転数の偏差を検出し、この偏差を解消すべくＰ制御を併用する構成とすることが可能である。このことにより、外乱に対する応答性をもたせることが可能である。
【００３８】
図５は、本発明の他の実施形態を示している。
同図は、目標の変化に伴う操作入力値ＦＦ〔ｎ〕の変化を示しているが、この操作入力値ＦＦ〔ｎ〕は、制御目標値の変化に対応して変化した後に、第２のフィードフォワード値ＦＦ2が、適当な時間Ｔａだけ一定状態を維持し、かつその後に徐々に減少している。
本実施形態では、第２のフィードフォワード値ＦＦ2が、一時的に一定であるものの、その後は徐々に減少しているため、本発明でいう「経時的な減衰」に該当し、本発明が意図する作用が得られる。本発明においては、第２のフィードフォワード値ＦＦ2の変化が、図５に示すような態様であってもよい。
【００３９】
本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る制御装置、および燃焼装置の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。
【００４０】
制御対象となるモータは、ファン駆動用に限定されない。また、モータの具体的な種類も限定されない。本発明に係る燃焼装置は、熱交換器と組み合わされて給湯装置を構成するものに限らず、たとえば暖房用や焼却炉用などとすることも可能である。
【符号の説明】
【００４１】
ＷＨ  給湯装置
Ａ  制御装置
Ｃ  燃焼装置
Ｍ  ファンモータ（モータ）
２０  フィードフォワード制御部
３  バーリ
４  ファン
【図１】
2020036387.tif 000007
【図２】
2020036387.tif 000008
【図３】
2020036387.tif 000009
【図４】
2020036387.tif 000010
【図５】
2020036387.tif 000011