(57)【要約】【課題】単一ユニットおよび多ユニットのＨＶＡＣシステムの高度な制御に対する新しいフィードバック線形化手法を記述する。【解決手段】本発明の手法によれば、この新しい非線形制御は、システム動力学における非線形性を補償するモデル基準のフィードバック線形化部を含む。したがって、蒸発温度と過熱値が線形ＰＩ制御設計によって制御され、所定のシステム性能および信頼性を実現する。この新しい非線形制御手法の主な利点は、（１）モデル誤差が大きい場合であっても優れた性能を発揮し、（２）オン／オフ動作が切り換わる室内ユニットに対応でき、（３）現在のフィードバックＰＩ制御と比べ、ＰＩ制御ゲインが大幅に小さくなり、（４）幅広い範囲の動作に対応してＰＩ制御ゲインを調整する必要がないため、設計手続が非常に簡略になることである。【選択図】図３
2004227574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱システムであって、
第１熱交換器と、
空間との伝熱経路にある第２熱交換器と、
前記第２熱交換器と前記空間との間で伝達される熱量を推測し、推測された伝達熱量に基づいて伝熱システムの制御パラメータを変更して伝熱システムを制御する演算処理装置と、
を含むことを特徴とする伝熱システム。
【請求項２】
請求項１に記載の伝熱システムであって、前記第１熱交換器はコンデンサであることを特徴とする伝熱システム。
【請求項３】
請求項１に記載の伝熱システムであって、前記第１熱交換器は蒸発装置であることを特徴とする伝熱システム。
【請求項４】
請求項１に記載の伝熱システムであって、前記第２熱交換器はコンデンサであることを特徴とする伝熱システム。
【請求項５】
請求項１に記載の伝熱システムであって、前記第２熱交換器は蒸発装置であることを特徴とする伝熱システム。
【請求項６】
請求項５に記載の伝熱システムであって、前記演算処理装置が、前記蒸発装置の冷却剤の温度を制御することを特徴とする伝熱システム。
【請求項７】
請求項５に記載の伝熱システムであって、前記演算処理装置が、前記第１熱交換器の冷却剤の温度を制御することを特徴とする伝熱システム。
【請求項８】
請求項５に記載の伝熱システムであって、前記演算処理装置が、前記蒸発装置の過熱度を制御することを特徴とする伝熱システム。
【請求項９】
請求項８に記載の伝熱システムであって、前記演算処理装置によって変更されるパラメータは、膨脹弁の開口であることを特徴とする伝熱システム。
【請求項１０】
請求項５に記載の伝熱システムであって、前記演算処理装置が、該伝熱システムのコンプレッサの冷却剤吐出し圧力を制御することを特徴とする伝熱システム。
【請求項１１】
請求項５に記載の伝熱システムであって、前記演算処理装置が、該伝熱システムのコンプレッサの冷却剤吐出し温度を制御することを特徴とする伝熱システム。
【請求項１２】
請求項５に記載の伝熱システムであって、更に、個別の複数の空間との伝熱経路に複数の蒸発装置を備えることを特徴とする伝熱システム。
【請求項１３】
請求項５に記載の伝熱システムであって、更に、前記空間との伝熱経路に複数の蒸発装置を備えることを特徴とする伝熱システム。
【請求項１４】
請求項１に記載の伝熱システムであって、更に、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器の間を流動する冷却剤圧力を上昇させるコンプレッサを備えることを特徴とする伝熱システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載の伝熱システムであって、前記演算処理装置によって変更されるパラメータは、コンプレッサの速度であることを特徴とする伝熱システム。
【請求項１６】
請求項１に記載の伝熱システムであって、前記演算処理装置が、前記第２熱交換器の冷却剤温度を制御することを特徴とする伝熱システム。
【請求項１７】
請求項１に記載の伝熱システムであって、前記演算処理装置が、前記第１熱交換器の冷却剤温度を制御することを特徴とする伝熱システム。
【請求項１８】
請求項１に記載の伝熱システムであって、前記演算処理装置が、前記第２熱交換器の過熱度を制御することを特徴とする伝熱システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載の伝熱システムであって、前記演算処理装置によって変更されるパラメータは、膨脹弁の開口であることを特徴とする伝熱システム。
【請求項２０】
請求項１に記載の伝熱システムであって、前記演算処理装置が、該伝熱システムのコンプレッサの冷却剤吐出し圧力を制御することを特徴とする伝熱システム。
【請求項２１】
請求項５に記載の伝熱システムであって、前記演算処理装置が、該伝熱システムのコンプレッサの冷却剤吐出し温度を制御することを特徴とする伝熱システム。
【請求項２２】
請求項１に記載の伝熱システムであって、前記演算処理装置が、フィードバック線形化手法を用いてパラメータを制御することを特徴とする伝熱システム。
【請求項２３】
請求項１に記載の伝熱システムであって、更に、個別の複数の空間との伝熱経路に複数の第２熱交換器を備えることを特徴とする伝熱システム。
【請求項２４】
請求項１に記載の伝熱システムであって、更に、前記空間との伝熱経路に複数の第２熱交換器を備えることを特徴とする伝熱システム。
【請求項２５】
請求項１に記載の伝熱システムであって、該伝熱システムは、その構成部品を損傷から保護するように制御されることを特徴とする伝熱システム。
【請求項２６】
請求項２５に記載の伝熱システムであって、前記構成部品はコンプレッサであることを特徴とする伝熱システム。
【請求項２７】
伝熱方法であって、
第１熱交換器を設けるステップと、
空間との伝熱経路に第２熱交換器を設けるステップと、
前記第２熱交換器と前記空間との間で伝達される熱量を推測するステップと、
推測された伝達熱量に基づいて制御パラメータを変更して伝熱システムを制御するステップと、
を含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の伝熱方法であって、前記第１熱交換器はコンデンサであることを特徴とする伝熱方法。
【請求項２９】
請求項２７に記載の伝熱方法であって、前記第１熱交換器は蒸発装置であることを特徴とする伝熱方法。
【請求項３０】
請求項２７に記載の伝熱方法であって、前記第２熱交換器はコンデンサであることを特徴とする伝熱方法。
【請求項３１】
請求項２７に記載の伝熱方法であって、前記第２熱交換器は蒸発装置であることを特徴とする伝熱方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の伝熱方法であって、更に、前記蒸発装置の冷却剤温度を制御するステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項３３】
請求項３１に記載の伝熱方法であって、更に、前記第１熱交換器の冷却剤温度を制御するステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項３４】
請求項３１に記載の伝熱方法であって、更に、前記蒸発装置の過熱度を制御するステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項３５】
請求項３４に記載の伝熱方法であって、前記演算処理装置によって変更されるパラメータは、膨脹弁の開口であることを特徴とする伝熱方法。
【請求項３６】
請求項３１に記載の伝熱方法であって、更に、伝熱システムのコンプレッサの冷却剤吐出し圧力を制御するステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項３７】
請求項３１に記載の伝熱方法であって、更に、伝熱システムのコンプレッサの冷却剤吐出し温度を制御するステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項３８】
請求項３１に記載の伝熱方法であって、更に、個別の複数の空間との伝熱経路に複数の蒸発装置を設けるステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項３９】
請求項３１に記載の伝熱方法であって、更に、前記空間との伝熱経路に複数の蒸発装置を設けるステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項４０】
請求項２７に記載の伝熱方法であって、更に、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器の間を流動する冷却剤圧力を上昇させるコンプレッサを設けるステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項４１】
請求項４０に記載の伝熱方法であって、変更されるパラメータは、コンプレッサの速度であることを特徴とする伝熱方法。
【請求項４２】
請求項２７に記載の伝熱方法であって、更に、前記第２熱交換器の冷却剤温度を制御するステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項４３】
請求項２７に記載の伝熱方法であって、更に、前記第１熱交換器の冷却剤温度を制御するステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項４４】
請求項２７に記載の伝熱方法であって、更に、前記第２熱交換器の過熱度を制御するステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項４５】
請求項４４に記載の伝熱方法であって、演算処理装置によって変更されるパラメータは、膨脹弁の開口であることを特徴とする伝熱方法。
【請求項４６】
請求項２７に記載の伝熱方法であって、更に、伝熱システムのコンプレッサの冷却剤吐出し圧力を制御するステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項４７】
請求項２７に記載の伝熱方法であって、更に、前記伝熱システムのコンプレッサの冷却剤吐出し温度を制御するステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項４８】
請求項２７に記載の伝熱方法であって、前記パラメータを変更するステップは、フィードバック線形化手法を利用するステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項４９】
請求項２７に記載の伝熱方法であって、更に、個別の複数の空間との伝熱経路に複数の第２熱交換器を設けるステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項５０】
請求項２７に記載の伝熱方法であって、更に、前記空間との伝熱経路に複数の第２熱交換器を設けるステップを含むことを特徴とする伝熱方法。
【請求項５１】
請求項２７に記載の伝熱方法であって、前記制御パラメータは、前記伝熱システムの構成部品を損傷から保護するように変更されることを特徴とする伝熱方法。
【請求項５２】
請求項５１に記載の伝熱方法であって、前記構成部品はコンプレッサであることを特徴とする伝熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝熱システムおよび伝熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から暖房、換気、空調（ＨＶＡＣ）システムが知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、建築物のＨＶＡＣシステムは、電気エネルギの主な消費先である。動的な相互作用と不規則な外乱がある中で、このようなシステムを効率的かつ効果的に制御して、温度を所望の快適なレベルに維持しながらエネルギを節約するには、従来の方法論とは異なる取り組みが必要である。複雑化の一途をたどる最近のＨＶＡＣシステム、たとえば、マルチスプリットシステム（複数の蒸発装置を備えるＶＲＶ（可変冷媒容積）システム）等では、保障された性能、安定性、および信頼性で動作を制御および最適化することが、非常に困難な問題になっている。また、複雑なＨＶＡＣシステムは、顧客の要望、各種の動作要件、および様々な環境要件に適合する多種多様なシステム構成を備えている。複雑なＨＶＡＣシステムについて、所定のシステム性能および信頼性を提供すると共に、制御設計プロセスに要する時間と費用を大幅に削減する革新的な制御設計が求められる。
【０００４】
本発明は上記課題等に鑑みてなされたものであり、より改善された伝熱システムおよび伝熱方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、伝熱システムおよび伝熱方法を対象としたものである。本発明の手法によれば、本システムは、第１熱交換器と、空間との伝熱経路にある第２熱交換器とを含む。演算処理装置は、第２熱交換器と空間の間で伝達される熱量を推測し、推測された伝熱量に基づいて伝熱システムの制御パラメータを変更し、伝熱システムを制御する。
【０００６】
一実施形態において、前記第１熱交換器は、コンデンサである。別の選択肢として、第１熱交換器は蒸発装置である。第２熱交換器は、コンデンサであっても、あるいは、蒸発装置であってもよい。
【０００７】
一実施形態において、前記演算処理装置は、蒸発装置内の冷却剤温度を制御する。演算処理装置は、第１熱交換器内の冷却剤温度を制御でき、更に、蒸発装置内の過熱度を制御できる。演算処理装置によって変更されるパラメータとして、膨張弁の開口を変えることができる。
【０００８】
演算処理装置は、伝熱システムのコンプレッサの冷却剤吐出し圧力を制御できる。また、演算処理装置は、伝熱システムのコンプレッサの冷却剤吐出し温度を制御できる。
【０００９】
一実施形態において、本システムは、空間との伝熱経路と、個別の複数の空間との伝熱経路の少なくとも一方に複数の蒸発装置を含む。
【００１０】
一実施形態において、本発明のシステムは、更に、第１熱交換器と第２熱交換器の間を流動する冷却剤圧力を上昇させるコンプレッサを含む。演算処理装置によって変更されるパラメータとして、コンプレッサの速度を変えることができる。
【００１１】
一実施形態において、演算処理装置は、第２熱交換器内の冷却剤温度を制御する。一実施形態において、前記演算処理装置は、第１熱交換器の過熱度を制御する。一実施形態において、前記演算処理装置は、第２熱交換器の過熱度を制御する。演算処理装置によって変更されるパラメータとして、膨張弁の開口を変えることができる。
【００１２】
一実施形態において、演算処理装置は、伝熱システムのコンプレッサの冷却剤吐出し圧力を制御する。
【００１３】
一実施形態において、演算処理装置は、伝熱システムのコンプレッサの冷却剤吐出し温度を制御する。
【００１４】
一実施形態において、演算処理装置は、フィードバック線形化手法を用いてパラメータを制御する。
【００１５】
一実施形態において、空間との伝熱経路と、個別の複数の空間との伝熱経路の少なくとも一方に複数の第２熱交換器を備える。
【００１６】
一実施形態において、伝熱システムは、伝熱システムの構成部品を損傷から保護するように制御される。保護される構成部品は、コンプレッサであってもよい。
【００１７】
本発明の前述および他の目的、特性、利点は、添付の図面に示すように、本発明の好ましい実施形態についてのより詳細な説明から明らかになるであろう。添付の図面において、同様の参照文字は、異なる図においても同一の部品を表す。図面は、本発明の原理を説明するためのものであり、特別な重み付けや強調を行うものではない。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、より改善された伝熱システムおよび伝熱方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
多ユニットＨＶＡＣシステムは、異なる動作要件および環境要件において、極めて非線形的に動作する。マルチシステムの動作時には、一部のユニットがオン／オフされることは非常に一般的である。また、システムの構成部品、たとえば、コンプレッサ、膨脹弁、熱交換器などに顕著な非線形性が存在する。異なるタイプのマルチシステムに対応した信頼できる効果的なコントロラを設計することは、非常に時間を消耗する作業である。基本的に、性能と安全性を保障するためには、実際の多ユニット機器で現在使用されているフィードバックコントローラのＰＩ（性能指数）ゲインが調整される必要がある。
【００２０】
複数の屋内ユニットを備えた複雑な空調システムの動的動作をモデル化することは、多大な困難を伴う取り組みである。ただし、このようなシステムの設計および制御の改良は、極めて重要である。単一の屋内ユニットを備える空調システムのモデル化は、いくつかの刊行物の中で報告されている。
【００２１】
本発明に係る下位モデル方式について、ここでは、多ユニットＨＶＡＣシステムの複合蒸発装置に関して説明する。このモデルは、蒸発温度とコンプレッサ側の質量流量の動力学的関係を記述する。コンプレッサ側の質量流量は、更に、コンプレッサの速度に関連付けることができる。また、このモデルは、蒸発装置の二相区画の長さと膨脹弁側の質量流量の動力学的関係を記述する。膨脹弁側の質量流量は、更に、膨脹弁の開口に関連付けることができる。下位モデルでは、フィードバック線形化とよばれる非線形制御設計方法を適用して、動力学における非線形性を補償できる。本発明について、多ユニットＨＶＡＣシステムに関連付けて説明するが、本発明を単一ユニットのシステムにも同様に適用できることは理解されるであろう。
【００２２】
ここで説明する新しいフィードバック線形化手法は、より簡単な設計手続を採用しており、オン／オフされる屋内ユニットを含む幅広い範囲の動作に対応したより優れた制御性能を実現できる。システム動力学における非線形性は、フィードバック線形化によって補償されるため、周知の線形システムのためのＰＩコントローラ設計方式を適用できる。シミュレーションでは、算出誤差が大きい場合であっても、本発明による新しい非線形制御は所定の性能を達成できることを実証する。
【００２３】
１．下位蒸発装置モデル
この段落では、本発明の新しい非線形制御方式に利用される下位蒸発装置モデルを説明する。
【００２４】
１．１計算式の導出
図１は、本発明に係る下位蒸発装置モデルを示す概略図である。なお、本願における記号の対応関係は表１に示される通りである。
【表１】
2004227574.tif 000003
図１を参照して説明する。Ｔｅ（ｔ）は蒸発温度、ｌ（ｔ）は二相区画の長さである。・ｍｉｎと・mｏｕｔは、それぞれ、冷却剤の流入質量流量、流出質量流量である。・ｍｍｉｄは、流体乾燥点における冷却剤質量流量である。ｈｉｎは、流入冷却剤比エンタルピーである。二相区画は、不変平均ボイド率γバーを持つことが想定される。
【００２５】
二相区画の質量収支計算式は、次の式で表される。
【数１】
2004227574.tif 000004
・・・・（１）
上式において、Ａは蒸発装置熱交換器のパイプの内部断面積で、ｐｌとｐｇは、それぞれ、冷却剤の飽和液と蒸気密度である。
【００２６】
二相区画のエネルギ収支計算式は、次の式で表される。
【数２】
2004227574.tif 000005
・・・・（２）
上式において、ｈｌとｈｇは、それぞれ、冷却剤の飽和液と蒸気比エンタルピーで、ｑは蒸発装置の伝熱率である。
【００２７】
１．２二相区画長さの計算式
数式（１）および（２）において、そのタイムステップ内の冷却剤特性の変動を無視すると、次の式が得られる。
【数３】
2004227574.tif 000006
・・・・（３）
ｈｇ−ｈｌ＝ｈ１ｇ，ｈｉｎ−ｈｇ＝−ｈ１ｇ（１−ｘ０）であり、ｘ０は流入蒸気特性であるので、数式（３）は次のように表せる。
【数４】
2004227574.tif 000007
・・・・（４）
上式において、ｑ／ｈ１ｇは、蒸気内に蒸発する液体の量を表し、・ｍｉｎ（１−ｘ０）は、流入液体の質量流量であるので、数式（４）は、蒸発装置の二相区画内の液体の質量収支を表す。
【００２８】
数式（４）から、次の式が得られる。
【数５】
2004227574.tif 000008
・・・・（５）
上式において、
【数６】
2004227574.tif 000009
・・・・（６）
であり、ｑｌバーは、単位長さ当たりの蒸発装置熱流束である。τは、二相領域内で液体が蒸発するのに要する時間を表していると考えられる。
【００２９】
１．３蒸発温度の計算式
次に、蒸発装置内の蒸気の質量収支について検討する。流入蒸気質量流量は・ｍｉｎｘ０で、過熱が顕現する時の流出蒸気質量流量は、・ｍｏｕｔである。二相区画内の蒸発プロセスで液体から生成される蒸気の量は、ｑ／ｈ１ｇである。時間を基準とした蒸気の質量変化率は、流入蒸気の質量流量に液体から生成される蒸気の量を加え、そこから流出蒸気の質量流量を引いたものと等しくなる。したがって、次の式が得られる。
【数７】
2004227574.tif 000010
・・・・（７）
上式において、ＭｖとＶは、それぞれ、低圧側の全蒸気質量と全体積である。Ｔｅは、蒸発温度である。数式（７）において、低圧側では、蒸気体積が液体の体積よりも大幅に大きいことが想定される。
【００３０】
１．４マルチシステムに対応した蒸発装置モデルの計算式
図２は、マルチシステム対応の蒸発装置モデルを示す概略図である。ｉ番目の蒸発装置の液体質量収支は、数式（４）に基づいて次のように記述できる。
【数８】
2004227574.tif 000011
・・・・（８）
上式において、ｉ＝１，２，．．．，ｎであり、ｎはマルチシステムの室内ユニット数である。ｑｉはｉ番目の蒸発装置の伝熱率である。
【００３１】
ｎ個すべての蒸発装置の蒸気質量収支は、次の式で表される。
【数９】
2004227574.tif 000012
・・・・（９）
上式において、ΣＶｉは、マルチシステムの低圧側の全体積である。
【００３２】
２．蒸発温度の革新的非線形制御
２．１蒸発温度の非線形制御
数式（９）は、次のように書き換えることができる。
【数１０】
2004227574.tif 000013
・・・・（１０）
【数１１】
2004227574.tif 000014
・・・・（１１）
数式（１０）は、マルチシステムの低圧側の蒸気質量収支を表す。数式（１０）の右辺において、第１項はｎ個すべての蒸発装置の流入蒸気質量流量、第２項はｎ個すべての蒸発装置で生成される蒸気の量、第３項は流出蒸気質量流量を表す。時間を基準とした蒸発温度の変化は、全蒸発装置に流入する蒸気の量、蒸発時に液体から生成される蒸気の量、およびコンプレッサに流入する蒸気の量に左右される。
【００３３】
流出蒸気質量流量・mｏｕｔが制御入力であるとすると、蒸発温度を所定の値Ｔｅ，ｄに制御することが好ましい。この制御は次式のように設計される。
【数１２】
2004227574.tif 000015
・・・・（１２）
数式（１０）に数式（１２）を代入すると、制御された蒸発温度の動力学を次の式で記述できる。
【数１３】
2004227574.tif 000016
・・・・（１３）
上式において、τｄとｋｉは設計パラメータで、ゼロの定常状態誤差が保証された所定の設定値に蒸発温度が到達する速さを表す。数式（１３）からわかるように、閉ループ動力学は線形であるので、パラメータτｄとｋｉを選択するだけで蒸発温度を所定の値に制御できる。
【００３４】
二相区画の長さ（または過熱）は、流入質量流量を用いて所定の値に制御されると想定されるので、数式（８）から次の式が得られる。
【数１４】
2004227574.tif 000017
・・・・（１４）
数式（１２）に数式（４）を代入すると、制御法則は次のようになる。
【数１５】
2004227574.tif 000018
・・・・（１５）
上式（１５）の右辺において、第１項はシステム要件と環境要件の状態に依存した非線形関数であり、第２項および第３項は、一般的なフィードバックＰＩコントローラを表す。この非線形制御は、システム動力学における非線形項Σｑｉ／（１−ｘ０）／ｈ１ｇを排除するための非線形補整補償（フィードバック線形化と呼ぶ）を提供し、この制御設計を線形問題とする。
【００３５】
フィードバックＰＩ制御（マルチシステムで現在利用されているもの）や自己同調制御と比べ、本発明の新しい非線形制御手法には次の利点がある。
１）本非線形制御のＰＩ制御ゲインは、幅広い範囲の動作に関して適応的調整を必要としない。フィードバック線形化（非線形補償）は、動作要件の大幅な変化に対応する適応性を提供する。ところが、フィードバックＰＩコントローラまたは自己同調制御では、異なる動作要件に応じてＰＩゲインを調整して、安定性と性能を保障しなければならない。
２）新しい非線形制御は、室内ユニットのオン／オフ切り換えに正確かつ迅速に対応できる。たとえば、ｊ番目の室内ユニットが稼動状態からオフに切り換えられた場合、数式（１５）からｑｊを除くことができ、制御入力を即座に変更できる。
３）新しい非線形制御におけるＰＩ制御ゲインの選択は、周知の線形システムに応じたＰＩ制御の設計と基本的に同一であるため、設計手続が大幅に簡略化され、かつ、直接的なものになる。これにより、新製品の制御を設計する時間を大幅に節約できる。
４）非線形補償を用いると、新しい非線形コントローラのＰＩゲインを非常に小さくできる。
【００３６】
実際の動作において、蒸発温度を制御する制御入力は、コンプレッサの速度である。したがって、質量流量・ｍｏｕｔは、コンプレッサ速度ωと関連付けられる。コンプレッサの質量流量は、コンプレッサ速度と、低圧Ｐｅと、高圧Ｐｃとに依存し、次の式で記述できる。
【数１６】
2004227574.tif 000019
・・・・（１６）
上式において、ｇ（Ｐｅ，Ｐｃ）は、指定のコンプレッサに対して特定できる。ＰｅおよびＰｃは、２つの圧力センサで測定できる。検査される特定タイプの機械は、次式のようになる。
【数１７】
2004227574.tif 000020
・・・・（１７）
上式において、質量流量の単位はｋｇ／ｓ、コンプレッサ速度の単位はＨｚ、圧力の単位はＭＰａである。数式（１５）および（１６）に基づき、蒸発温度をコンプレッサ速度によって制御する新しい非線形コントローラは、次のように記述される。
【数１８】
2004227574.tif 000021
・・・・（１８）
【００３７】
図３は、本発明に係る新しい非線形制御手法の概略図を含み、図４は、本発明の新しい非線形制御手法のブロック図を含む。図４において、フィードバック線形化項は、測定されたセンサデータに基づいてオンラインで推測される。
１）h１gは、冷却剤熱物性と、測定された蒸発温度または測定された蒸発圧力と、に基づいて計算される。
２）流入蒸気特性ｘ０は、通常動作時において、次のように推測される。
【数１９】
2004227574.tif 000022
・・・・（１９）
３）ｑｉは、室内ユニットの冷却能力として、次のように推測される。
ｑｉ＝ｋｈ（ωｆ）＊（Ｔｈ−Ｔａ）＊ｆ（ＳＨ）              ・・・・（２０）
上式において、ｋｈ（ωｆ）は、室内ユニットファン速度ωｆでの大気側の伝熱係数、Ｔａは室内大気温度、Ｔｈは熱交換器の温度、ｆ（ＳＨ）は、熱交換器の出口における冷却能力対過熱の変化率である。
【００３８】
同様の方法を展開して、室内大気温度と蒸発温度の差からｑｉを推測できる。
【００３９】
ここで指摘しておくが、フィードバック線形化の推測には若干の誤差があってもよい。非線形制御におけるＰＩ制御部分を用いて、この推測誤差を補償する。
【００４０】
２．２蒸発温度の非線形制御シミュレーション
２つの室内ユニットを備えるマルチシステムのシミュレーションを行って、新しい非線形制御の性能を実証する。下記に説明するシミュレーションでは、本発明の新しい制御方法と、図５に示されているフィードバックＰＩ制御とを比較する。図５には、線形フィードバックＰＩ制御システムのブロック図が含まれている。
非線形コントローラ：
【数２０】
2004227574.tif 000023
線形フィードバックＰＩコントローラ：
【数２１】
2004227574.tif 000024
次のシミュレーションでは、下記の条件が想定される。
●２つの蒸発装置の合計伝熱率
【数２２】
2004227574.tif 000025
●流入蒸気特性ｘ０＝０．２
●蒸発温度の設定点Ｔｅ，ｄ＝１０℃
●初期蒸発温度Ｔｅ（ｔ＝０）＝１４℃
●室内大気温度Ｔａ＝２７℃
【数２３】
2004227574.tif 000026
●ｈ１ｇ≒２００ＫＪ／ｋｇ
【００４１】
図６Ａは、蒸発温度の時間応答について、本発明のフィードバック線形化およびＰＩ制御と、フィードバックＰＩ制御とを同一のＰＩゲインで比較して示すグラフである。図６Ａは、同一のＰＩゲインでは、非線形制御（フィードバック線形化とＰＩ制御）が、線形フィードバックＰＩ制御と比べ、かなり速く所定の蒸発温度に到達できることを示している。図６Ｂは、質量流量の時間応答について、本発明のフィードバック線形化およびＰＩ制御と、フィードバックＰＩ制御とを同一のＰＩゲインで比較して示すグラフである。図６Ｃは、コンプレッサ速度の時間応答について、本発明のフィードバック線形化およびＰＩ制御と、フィードバックＰＩ制御とを同一のＰＩゲインで比較して示すグラフである。
【００４２】
図７Ａは、蒸発温度の時間応答について、本発明のフィードバック線形化およびＰＩ制御と、フィードバックＰＩ制御とを同様の性能で比較して示すグラフである。図７Ａは、同様の性能では、非線形制御（フィードバック線形化とＰＩ制御）が、線形フィードバックＰＩ制御のゲイン（１／τｄ＝２０，ｋｉ＝５）と比べてかなり小さいＰＩゲイン（１／τｄ＝１．０，ｋｉ＝０．２５）を持つことを示している。図７Ａと同一のケースについての質量流量の時間応答は図７Ｂに示されている。図７Ｂは、質量流量の時間応答について、本発明のフィードバック線形化およびＰＩ制御と、フィードバックＰＩ制御とを同様の性能で比較して示すグラフである。図７Ｃは、コンプレッサ速度の時間応答について、本発明のフィードバック線形化およびＰＩ制御と、フィードバックＰＩ制御とを同様の性能で比較して示すグラフである。
【００４３】
次のシミュレーションでは、フィードバック線形化項の推測に２０％の誤差があると想定される。図８Ａは、同一ＰＩゲインにおいて、フィードバック線形化に２０％の誤差があると想定した場合の蒸発温度の時間応答を示すグラフである。図８Ａは、同一ＰＩゲインにおいて、非線形制御が、線形フィードバックＰＩ制御と比べ、かなり速く所定の蒸発温度に到達できることを示している。図８Ｂは、同一ＰＩゲインにおいて、フィードバック線形化に２０％の誤差があると想定した場合のコンプレッサ速度の時間応答を示すグラフである。
【００４４】
次のシミュレーションでは、フィードバック線形化項の推測に２０％の誤差があると想定される。図９Ａは、同様の性能において、フィードバック線形化に２０％の誤差があると想定した場合の蒸発温度の時間応答を示すグラフである。図９Ｂは、同様の性能において、フィードバック線形化に２０％の誤差があると想定した場合のコンプレッサ速度の時間応答を示すグラフである。図９Ａは、同様の性能では、非線形制御が、線形フィードバックＰＩ制御のゲイン（１／τｄ＝１０，ｋｉ＝２．５）と比べてかなり小さいＰＩゲイン（１／τｄ＝１．０，ｋｉ＝０．２５）を持つことを示している。
【００４５】
次のシミュレーションでは、同一ゲインにおいて、フィードバック線形化項の推測に２０％の推測誤差があると想定される。２番目の室内ユニットは、ｔ＝４０ｓでオフ、ｔ＝８０ｓでオンに切り換えられる。図１０Ａは、同一ゲインにおいて、フィードバック線形化に２０％の誤差があり、１つの室内ユニットがｔ＝４０ｓでオフ、ｔ＝８０ｓでオンに切り換えられると想定した場合の蒸発温度の時間応答を示すグラフである。図１０Ｂは、同一ゲインにおいて、フィードバック線形化に２０％の誤差があり、１つの室内ユニットがｔ＝４０ｓでオフ、ｔ＝８０ｓでオンに切り換えられると想定した場合のコンプレッサ速度の時間応答を示すグラフである。図１０Ａは、同一ＰＩゲインにおいて、非線形制御が、線形フィードバックＰＩ制御と比べてはるかに優れた性能を持つことを示している。すなわち、フィードバック線形化に推測誤差が存在しない場合、本発明の非線形制御は、室内ユニットのオン／オフに完璧な性能で適合できるものである。
【００４６】
次のシミュレーションでは、フィードバック線形化項の推測に推測誤差がないことが想定される。２番目の室内ユニットは、ｔ＝４０ｓでオフ、ｔ＝８０ｓでオンに切り換えられる。図１１Ａは、フィードバック線形化に推測誤差がなく、２番目の室内ユニットがｔ＝４０ｓでオフ、ｔ＝８０ｓでオンに切り換えられると想定した場合の蒸発温度の時間応答を示すグラフである。図１１Ｂは、フィードバック線形化に推測誤差がなく、２番目の室内ユニットがｔ＝４０ｓでオフ、ｔ＝８０ｓでオンに切り換えられると想定した場合のコンプレッサ速度の制御出力を示すグラフである。図１１Ａは、非線形制御（１／τｄ＝１．０，ｋｉ＝０．２５）をフィードバックＰＩ制御（１／τｄ＝１０，ｋｉ＝２．５）と比較して示したものである。非線形制御は、室内ユニットのオン／オフ切り換えに完璧な性能（Ｔｅが１０Ｃに留まる）で適応できる。
【００４７】
２．３過熱の非線形制御
二相区画の長さの動力学に関する数式（４）は、次のように書き換えられる。
【数２４】
2004227574.tif 000027
・・・・（２１）
上式において、
【数２５】
2004227574.tif 000028
・・・・（２２）
制御入力・ｍｉｎによって二相区画の長さを所定の値ｌｄに制御するため、ここで、次の非線形コントローラを設計する。
【数２６】
2004227574.tif 000029
・・・・（２３）
数式（２１）に数式（２３）を代入することによって、制御されたｌ（ｔ）の動力学が、次の式で記述される。
【数２７】
2004227574.tif 000030
・・・・（２４）
上式において、τｄおよびｋｉは設計パラメータで、二相区画の長さｌ（ｔ）が、ゼロの定常状態誤差が保証された所定の設定点ｌｄに到達できる速さを表す。数式（２４）から、閉ループ動力学が線形であることがわかるので、パラメータτｄとｋｉを選択するだけで、二相区画の長さｌ（ｔ）を所定の値に制御できる。
【００４８】
数式（２３）の右辺において、第１項は、２．１節で説明したシステム要件と環境要件の状態に依存するフィードバック線形化の非線形性、第２項および第３項は、一般的なフィードバックＰＩコントローラを表している。この非線形制御は、システム動力学における非線形項ｑ／（１−ｘ０）／ｈ１ｇを排除するための非線形補償（フィードバック線形化）を提供する。この新しいコントローラの利点は、２．１節で説明したものと同様である。
【００４９】
実際の動作では、膨脹弁開口を用いて過熱値を制御する。したがって、質量流量・ｍｉｎを膨脹弁開口Ａｖに対応させる必要がある。膨脹弁の質量流量・ｍｉｎは、膨脹弁開口Ａｖと、低圧Ｐｅと、高圧Ｐｃと、に依存するので、次の式で記述できる。
【数２８】
2004227574.tif 000031
・・・・（２５）
上式において、ａおよびｇｖ（Ｐｅ，Ｐｃ）は、指定の膨脹弁に対して特定できる。ＰｅとＰｃは２つの圧力センサで測定できる。Ｄａｉｋｉｎ  Ｋａｎａｏｋｏ工場９０６号室で２００１年夏に検査された公称能力４ｋWを持つ室内ユニットについては、ａ＝０．７５であるので、次のようになる。
【数２９】
2004227574.tif 000032
・・・・（２６）
上式において、質量流量の単位はｋｇ／ｓ、膨脹弁開口の単位はステップ、圧力の単位はＭＰａである。
【００５０】
二相区画ｌ（ｔ）を膨脹弁によって制御する新しい非線形コントローラは、数式（２３）および（２５）に基づいて次の式で表される。
【数３０】
2004227574.tif 000033
・・・・（２７）
過熱（ＳＨ）値を膨脹弁によって所定の値ＳＨｄに制御するのに、次の非線形制御が提案される。
【数３１】
2004227574.tif 000034
・・・・（２８）
上式において、過熱ＳＨ（ｔ）は測定可能である。ＳＨの値は、次の式によって近似化できる。
【数３２】
2004227574.tif 000035
・・・・（２９）
上式において、Ｌは蒸発装置の長さ、ｃはパラメータ、・ｍ≒ｑ／（１−ｘ０）／ｈ１ｇである。二相区画の長さｌ（ｔ）を直接測定することはできないが、ｌ（ｔ）は、数式（２９）に従ってＳＨから推測できる。
【数３３】
2004227574.tif 000036
・・・・（３０）
したがって、数式（２７）で記述される新しい非線形コントローラは、次のように記述できる。
【数３４】
2004227574.tif 000037
・・・・（３１）
【００５１】
図１２は、本発明に従って数式（３１）で記述されるｌ（ｔ）に応じた膨脹弁の非線形制御を示す略ブロック図である。
【００５２】
図１３は、本発明に従って数式（２８）で記述されるＳＨに応じた膨脹弁の非線形制御を示す略ブロック図である。
【００５３】
２．４過熱の非線形制御シミュレーション
シミュレーションを行って、本発明に係る膨脹弁の新しい非線形制御の性能を実証する。本発明の新しい制御方法は、フィードバックＰＩ制御と比較される。
二相区画の長さを所定値に制御する：
非線形コントローラ：
【数３５】
2004227574.tif 000038
線形フィードバックＰＩコントローラ：
【数３６】
2004227574.tif 000039
過熱（ＳＨ）を所定値に制御する：
非線形コントローラ：
【数３７】
2004227574.tif 000040
線形フィードバックＰＩコントローラ：
【数３８】
2004227574.tif 000041
下記のシミュレーションでは、１つの室内ユニットが考察されると共に、下記の条件が想定される。
●蒸発装置の伝熱率
【数３９】
2004227574.tif 000042
●流入蒸気特性ｘ０＝０．２
●蒸発温度をコンプレッサによって制御し、Ｔｅ＝１０℃に維持
●二相区画の所定長さｌｄ＝０．９Ｌ＝０．９＊８．１４（ｍ）＝７．３２（ｍ）
●室内大気温度Ｔａ＝２７℃
【数４０】
2004227574.tif 000043
●ｈ１ｇ≒２００ｋＪ／ｋｇ
●所定過熱ＳＨｄ≒５℃
●数式（２９）のパラメータｃは、０．００５３の値を持つ
【００５４】
最初のシミュレーションでは、二相区画の長さが、初期値６ｍから所定値７．３２ｍに制御される。このケースでは、フィードバック線形化に推測誤差は存在しないと想定される。図１４Ａは、フィードバック線形化に推測誤差がないと想定した場合において、初期値６ｍから所定値７．３２ｍに制御される二相区画の長さｌ（ｔ）の時間応答を示すグラフである。図１４Ｂは、図１４Ａのケースにおける膨脹弁の質量流量の制御入力を示すグラフである。図１４Ｃは、図１４Ａのケースにおける膨脹弁開口の制御出力を示すグラフである。図１４Ｄは、図１４Ａのケースにおける熱流の制御出力を示すグラフである。図１４Ｅは、図１４Ａのケースにおける過熱の制御出力を示すグラフである。図１４Ａは、同一ＰＩゲインでは、非線形制御が、線形フィードバックＰＩ制御よりもかなり速く、二相区画の所定長さに到達できることを示している。質量流量、膨脹弁開口、蒸発装置伝熱率、および過熱値の時間応答は、図１４Ｂ〜１４Ｅに示されている。
【００５５】
２番目のシミュレーションでは、二相区画の長さが所定値７．３２ｍに制御される。このケースでは、室内ファン速度が上昇して、ｑが次式のようになることが想定される。
【数４１】
2004227574.tif 000044
ｂ＝１+ｔ／１０，ｔ≦５ｓ；ｂ＝１．５，ｔ＞５ｓ
【００５６】
このケースでは、フィードバック線形化に２０％の推測誤差が想定される。図１５Ａは、フィードバック線形化に２０％の推測誤差が想定される場合において、７．３２ｍの所定値に制御された二相区画の長さｌ（ｔ）の時間応答を示すグラフである。図１５Ｂは、図１５Ａのケースにおける膨脹弁の質量流量の制御入力を示すグラフである。図１５Ｃは、図１５Ａのケースにおける膨脹弁開口の制御出力を示すグラフである。図１５Ｄは、図１５Ａのケースにおける熱流の制御出力を示すグラフである。図１５Ｅは、図１５Ａのケースにおける過熱の制御出力を示すグラフである。図１５Ａは、非線形制御が、線形フィードバックＰＩ制御と比べ、かなり優れた性能を備えることを示している。質量流量、膨脹弁開口、蒸発装置伝熱率、および過熱値の時間応答は、図１５Ｂ〜Ｅに示されている。
【００５７】
３番目のシミュレーションでは、二相区画の長さが、初期値６ｍから所定値７．３２ｍに制御され、３種類の異なる負荷状況があると想定する。
【数４２】
2004227574.tif 000045
（Ｉ）Ｋ＝１    （ＩＩ）Ｋ＝２    （ＩＩＩ）Ｋ＝４
図１６Ａは、異なる３種類の負荷状況が想定され、フィードバック線形化に推測誤差がないと想定される場合において、６ｍの初期値から７．３２ｍの所定値までの二相区画の長さｌ（ｔ）の時間応答を示すグラフである。図１６Ｂは、図１６Ａのケースにおける膨脹弁開口の制御出力を示すグラフである。図１６Ａは、非線形制御が、３種類の負荷状況において同じ性能であることを示している。一方、線形フィードバックＰＩ制御の性能は、同一ゲインにおいて、異なる３種類の負荷状況において大幅に異なる。すなわち、幅広い範囲の動作について同様の優れた性能を発揮するためには、線形フィードバック制御のＰＩゲインをしなければならない。膨脹弁開口の時間応答は、図１６Ｂに示されている。
【００５８】
４番目のシミュレーションでは、過熱が、初期値１１．３Ｃから所定値５Ｃに制御される。このケースでは、フィードバック線形化に推測誤差が存在しないと想定されする。図１７Ａは、フィードバック線形化に算出誤差がないと想定した場合において、１１．３Ｃの初期値から５Ｃの所定値に制御される過熱の制御出力を示すグラフである。図１７Ｂは、図１７Ａのケースについて、膨脹弁開口の制御出力を示すグラフである。図１７Ａおよび１７Ｂは、非線形制御を線形フィードバックＰＩ制御と比較したものである。
【００５９】
３．伝熱率を推測する非線形オブザーバ
３．１蒸発装置モデル
非線形オブザーバは、ここでは、本発明に従って伝熱率を推測するために記述される。単純化された下位蒸発装置モデルは、ここで、非線形オブザーバの設計に利用される。図１８は、下位蒸発装置モデルの概略図である。Ｔｅは蒸発温度、ｌは二相区画の長さ、Ｔｗは管の壁面温度、Ｔａは室内大気温度である。・ｍｉｎおよび・ｍｏｕｔは、それぞれ、流入冷却剤質量流量、流出冷却剤質量流量である。ｑは、管壁面から二相冷却剤への伝熱率で、ｑａは、部屋から管壁面への伝熱率である。
【００６０】
二相区画では、蒸発装置の管壁面全体で温度が均一であると仮定すると、管壁面の伝熱計算式は次のようになる。
【数４３】
2004227574.tif 000046
・・・・（３２）
【００６１】
右辺の第１項は、部屋から管壁面までの単位長さ当たりの伝熱率を示す。第２項は、管壁面から二相冷却剤までの単位長さ当たりの伝熱率を示す。
【００６２】
平均ボイド率γバーが不変であると仮定すると、蒸発装置の二相区画における液体の質量収支計算式は次のようになる。
【数４４】
2004227574.tif 000047
・・・・（３３）
かつ、ｑ＝πＤｉαｉｌ（Ｔｗ−Ｔｅ）                  ・・・・（３４）
【００６３】
数式（３３）において、左辺は、蒸発装置内の液体の質量変化率である。右辺において、ｑ／ｈ１ｇは、蒸気内に蒸発する液体の量を表し、・ｍｉｎ（１−ｘ０）は、流入液体の質量流量を表す。数式（３４）を用いて、伝熱率を算出できる。
【００６４】
流入冷却剤の質量流量・ｍｉｎは、膨脹弁開口Ａｖと、低圧Ｐｅと、高圧Ｐｃと、に依存することから、次の式で記述できる。
【数４５】
2004227574.tif 000048
・・・・（３５）
上式において、ａおよびｇｖ（Ｐｅ，Ｐｃ）は、指定の膨脹弁に対して特定できる。ＰｅおよびＰｃは、２つの圧力センサで測定することも、あるいは、蒸発温度と凝縮温度から推測することもできる。二相区画では、圧力が温度の不変関数であると想定される。したがって、流入冷却剤の質量流量・ｍｉｎは、次の式で記述できる。
【数４６】
2004227574.tif 000049
・・・・（３６）
【００６５】
低圧側では、蒸気体積が液体容積よりもかなり大きいと想定すると、蒸発装置内の蒸気の質量収支計算式は、次のようになる。
【数４７】
2004227574.tif 000050
・・・・（３７）
上式において、Ｍｖは全蒸気質量、Ｖは低圧側の全体積である。ｈｇ−ｈｌ＝ｈｌｇであり、ｈｌとｈｇは、それぞれ、冷却剤の飽和液と蒸気比エンタルピーである。流出冷却剤の質量流量はコンプレッサの質量流量と同一であり、コンプレッサの質量流量はコンプレッサ速度と、低圧Ｐｅと、高圧Ｐｃと、に依存するため、流出冷却剤の質量流量は次の式で記述できる。
【数４８】
2004227574.tif 000051
・・・・（３８）
上式において、ｇ（Ｐｅ，Ｐｃ）は、指定のコンプレッサに対して特定できる。前述したように、圧力は二相区画の温度の不変関数であるので、流出冷却剤の質量流量は、次のように記述できる。
【数４９】
2004227574.tif 000052
・・・・（３９）
数式（３７）は、次のように書き換えることができる。
【数５０】
2004227574.tif 000053
・・・・（４０）
上式において、
【数５１】
2004227574.tif 000054
である。
【００６６】
３．２多ユニットシステムの計算式
図１９は、本発明に係る多ユニットシステムを示す概略図である。
【００６７】
数式（３２）に基づいて、ｊ番目の蒸発装置の伝熱計算式を次のように記述できる。
【数５２】
2004227574.tif 000055
・・・・（４１）
上式において、ｊ＝１，２，．．．，ｎであり、ｎは多ユニットシステムの室内ユニット数である。
【００６８】
数式（３３）に基づいて、ｊ番目の蒸発装置の液体質量収支を次のように記述できる。
【数５３】
2004227574.tif 000056
・・・・（４２）
上式において、ｑｊはｊ番目の蒸発装置の伝熱率である。
【００６９】
ｎ個すべての蒸発装置の蒸気質量収支計算式は、次のようになる。
【数５４】
2004227574.tif 000057
・・・・（４３）
上式において、ΣＶｊは、多ユニットシステムの低圧側の全体積である。
【００７０】
３．２蒸発装置の非線形オブザーバ設計
数式（３２），（３３），（４０）は、蒸発装置の非線形モデルを表す。これらの数式は、次のような簡略形式で記述できる。
【数５５】
2004227574.tif 000058
・・・・（４４）
上式において、Ｘ＝［Ｔｅ  Ｔｗ  ｌ］Ｔは状態変数、Ｕ＝［Ｔｅ  ω  Ｔａ  Ａｖ］Ｔは蒸発装置モデルに対する入力変数である。これは、高度な非線形モデルである。数式（４４）は、より明示的に次のように記述できる。
【数５６】
2004227574.tif 000059
・・・・（４５）
【００７１】
すべての入力変数は、直接測定によって取得できると想定される。システムの出力は、温度センサを用いて蒸発温度を測定することによって得られるＴｅである。ただし、状態変数Ｔｗおよびｌは、直接は測定できない。数式（４５）によって記述される非線形モデルに基づいて非線形オブザーバを設計し、Ｔｗ，ｌ，ｑを次のように推測できる。
【数５７】
2004227574.tif 000060
・・・・（４６）
上式において、Ｔｅハット，Ｔｗハット，ｌハットは、非線形オブザーバに基づいた推測値で、Ｔｅは測定された蒸発温度である。Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、オブザーバのパラメータである。
【００７２】
蒸発装置の伝熱率ｑは、直接測定できないが、ｑは、次のように推測できる。
【数５８】
2004227574.tif 000061
・・・・（４７）
【００７３】
３．３数値シミュレーションと考察
１つの室内ユニットを備えるシステムのシミュレーションを行って、非線形オブザーバ設計を実践する。初期動作点は、３．１節で示した蒸発装置とコンプレッサの計算式から得られる均衡点である。初期値は、ｌバー＝６．０ｍ，Ｔｅバー＝１０．０℃，Ｔｗバー＝１２．１２５℃，Ｔａバー＝２７．０℃，ω＝２２．３６３Ｈｚ，Ａｖバー＝８３．２８６５ステップ、Ｔｃバー＝４５．０℃であることがわかる。
【００７４】
入力Ｔａは、不変であると想定される。他の２つの入力値ωとＡｖは、流入質量流量と流出質量流量は、図２０および図２１に示されているような輪郭を持つように時間と共に変化すると想定される。図２０は、流入質量流量の入力を示すグラフである。図２１は、流出質量流量のグラフである。想定された測定出力Ｔｅは、図２２に示されている。図２２は、測定出力値がＴｅであると想定した場合の蒸発温度を示すグラフである。プラントモデルから取得されるＴｗおよびｌと、非線形オブザーバから取得されるＴｗおよびｌとの違いが図２３および図２４に示されている。図２３は、モデルから得たＴｗと、本発明にかかる非線形オブザーバから得たＴｗとを比較して示す壁面温度Ｔｗのグラフである。図２４は、モデルから得たｌと本発明に係る非線形オブザーバから得たｌを比較して示す二相長さｌのグラフである。図２３および図２４に示されているように、推測された値は、モデルから取得した値に非常に速やかに追いつき、推測誤差がゼロまで減少することがわかる。
【００７５】
各蒸発装置に推測されたｌｊおよびＴｗｊの値によって、蒸発装置の伝熱率ｑｊは、数式（４７）から取得でき、グローバル制御システムに送られる。
【００７６】
シミュレーションにおいて、オブザーバのパラメータ値は、Ｌ１＝０．２，Ｌ２＝０．５，Ｌ３＝０．００７８である。
【００７７】
４．保護制御における応用
この節では、ＨＡＶＣシステムの保護制御設計への本発明の応用について説明する。
【００７８】
ＨＶＡＣシステムの動作の安全性を保障するには、過熱、吐出し温度Ｔｄ、蒸発圧力Ｐｅ、および凝縮圧力Ｐｃが安全域内であるように制御することが重要である。また、蒸発装置に応じた特定の最小過熱値を維持して、液体の冷却剤がコンプレッサに進入しないようにすることも重要である。本発明の非線形制御は、過熱値を所定の設定点周辺に調整する非常に優れた能力を備えるため、過熱値を安全域内に維持することができる。たとえば、図２５は、非線形制御が、過熱を防止制御する非常に優れた外乱阻止能力を持つことを示している。図２５は、室内ファン速度の上昇に伴う過熱の応答に関して、本発明のフィードバック線形化とＰＩ制御で過熱を５Ｃから所定値の３．５Ｃに制御した場合、およびフィードバックＰＩ制御で前記制御を行った場合について示すグラフである。図２５は、室内ファン速度が上昇するケースを示す。室内ファン速度が低下する場合、フィードバックＰＩ制御では低下を認識できても、過熱値が３．５Ｃの最小値を超えることを確認できないが、非線形制御では、過熱値が確実に約３．５Ｃに維持されるようにできる。
【００７９】
コンプレッサの安全性を保護するには、蒸発圧力および凝縮圧力が安全域内を出ないように制御することが重要である。ここで説明した蒸発温度の非線形制御は、蒸発圧力を確実に安全域内で正確に制御できるようにする。
【００８０】
凝縮圧力と吐出し温度が安全域内にあることを維持するため、ここで説明した非線形制御に基づいて次の保護制御が提案される。
【００８１】
本説明の目的に応じて、Ｔｄ，ｍａｘはコンプレッサの最大許容吐出し温度、Ｔｃ，ｍａｘは最大許容凝縮圧力に対応する凝縮温度とする。
Ｔｄ＜０．９Ｔｄ，ｍａｘで、かつ、Ｔｃ＜０．９Ｔｃ，ｍａｘである場合、次のようになる。
【数５９】
2004227574.tif 000062
Ｔｄ＞０．９Ｔｄ，ｍａｘであるか、または、Ｔｃ＞０．９Ｔｃ，ｍａｘである場合、次のようになる。
【数６０】
2004227574.tif 000063
上式において、Ｋｐ１およびＫｐ２は、保護制御パラメータで、検査に基づいて選択できる（Ｔｄ＜０．９Ｔｄ，ｍａｘの場合、Ｋｐ１＝０で、Ｔｃ＜０．９Ｔｃ，ｍａｘの場合、Ｋｐ２＝０）。Ｔｄ＞Ｔｄ．ｍａｘであるか、または、Ｔｃ＞Ｔｃ，ｍａｘである場合、次のようになる。
ω（ｔ）＝ω（ｔ−１）−Ｋ
上式において、Ｋは検査によって決定される。
【００８２】
吐出し温度および凝縮温度は温度センサによって測定されると想定される。
【００８３】
ここで説明した新しいフィードバック線形化手法は、設計手続が簡略であり、オン／オフが切り換えられる室内ユニットを含む幅広い範囲の動作に対応するより優れた制御性能を実現できる。システム動力学における非線形性は、フィードバック線形化によって補償されるため、本発明の手法は、周知の線形システムについてのＰＩコントローラ設計問題を処理できる。ここに記載したシミュレーションは、大きな推測誤差があったとしても、本発明の新しい非線形制御が必要な性能を実現できることを示している。
【００８４】
また、上記の説明では、本発明を冷却システムに関して記述したが、本発明は、暖房設備にも適用できることは理解されるであろう。その場合は、基本的にコンデンサおよび蒸発装置が、周知の暖房設備に従って置き換えられる。すなわち、暖房設備において、コンデンサは、熱が伝達される空間との伝熱経路内に存在する。つまり、コンデンサは室内ユニットであり、蒸発装置は室外ユニットである。
【００８５】
本発明について、好ましい実施形態を参照しながら部分的に図示および説明したが、当業者であれば、その形式および詳細内容に対する各種の変更を、添付の請求項に定義された本発明の精神および範囲にもとることなく行ってもよいことは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明に係る下位蒸発装置モデルを示す概略図である。
【図２】マルチシステム対応の蒸発装置モデルを示す概略図である。
【図３】本発明に係る非線形制御手法を示す概略図である。
【図４】本発明の新しい非線形制御手法を示すブロック図である。
【図５】線形フィードバックＰＩ制御システムを示すブロック図である。
【図６Ａ】蒸発温度の時間応答について、本発明のフィードバック線形化およびＰＩ制御と、フィードバックＰＩ制御とを同一のＰＩゲインで比較して示すグラフである。
【図６Ｂ】質量流量の時間応答について、本発明のフィードバック線形化およびＰＩ制御と、フィードバックＰＩ制御とを同一のＰＩゲインで比較して示すグラフである。
【図６Ｃ】コンプレッサ速度の時間応答について、本発明のフィードバック線形化およびＰＩ制御と、フィードバックＰＩ制御とを同一のＰＩゲインで比較して示すグラフである。
【図７Ａ】蒸発温度の時間応答について、本発明のフィードバック線形化およびＰＩ制御と、フィードバックＰＩ制御とを同様の性能で比較して示すグラフである。
【図７Ｂ】質量流量の時間応答について、本発明のフィードバック線形化およびＰＩ制御と、フィードバックＰＩ制御とを同様の性能で比較して示すグラフである。
【図７Ｃ】コンプレッサ速度の時間応答について、本発明のフィードバック線形化およびＰＩ制御と、フィードバックＰＩ制御とを同様の性能で比較して示すグラフである。
【図８Ａ】同一のＰＩゲインにおいて、フィードバック線形化に２０％の誤差があると想定した場合の蒸発温度の時間応答を示すグラフである。
【図８Ｂ】同一のＰＩゲインにおいて、フィードバック線形化に２０％の誤差があると想定した場合のコンプレッサ速度の時間応答を示すグラフである。
【図９Ａ】同様の性能において、フィードバック線形化に２０％の誤差があると想定した場合の蒸発温度の時間応答を示すグラフである。
【図９Ｂ】同様の性能において、フィードバック線形化に２０％の誤差があると想定した場合のコンプレッサ速度の時間応答を示すグラフである。
【図１０Ａ】同一のゲインにおいて、フィードバック線形化に２０％の誤差があり、１つの室内ユニットがｔ＝４０ｓにおいてオフ、ｔ＝８０ｓにおいてオンに切り換えられると想定した場合の蒸発温度の時間応答を示すグラフである。
【図１０Ｂ】同一のゲインにおいて、フィードバック線形化に２０％の誤差があり、１つの室内ユニットがｔ＝４０ｓにおいてオフ、ｔ＝８０ｓにおいてオンに切り換えられると想定した場合のコンプレッサ速度の時間応答を示すグラフである。
【図１１Ａ】フィードバック線形化に推測誤差がなく、２番目の室内ユニットがｔ＝４０ｓにおいてオフ、ｔ＝８０ｓにおいてオンに切り換えられると想定した場合の蒸発温度の時間応答を示すグラフである。
【図１１Ｂ】フィードバック線形化に推測誤差がなく、２番目の室内ユニットがｔ＝４０ｓにおいてオフ、ｔ＝８０ｓにおいてオンに切り換えられると想定した場合のコンプレッサ速度の制御出力を示すグラフである。
【図１２】本発明のｌ（ｔ）に応じた膨脹弁の非線形制御を示す略ブロック図である。
【図１３】本発明のＳＨに応じた膨脹弁の非線形制御を示す略ブロック図である。
【図１４Ａ】フィードバック線形化に推測誤差がないと想定した場合において、初期値６ｍから所定値７．３２ｍまで制御される二相区画の長さｌ（ｔ）の時間応答を示すグラフである。
【図１４Ｂ】図１４Ａのケースにおける膨脹弁の質量流量の制御入力を示すグラフである。
【図１４Ｃ】図１４Ａのケースにおける膨脹弁開口の制御出力を示すグラフである。
【図１４Ｄ】図１４Ａのケースにおける熱流の制御出力を示すグラフである。
【図１４Ｅ】図１４Ａのケースにおける過熱の制御出力を示すグラフである。
【図１５Ａ】フィードバック線形化に２０％の算出誤差があると想定した場合において、所定値７．３２ｍに制御される二相区画の長さｌ（ｔ）の時間応答を示すグラフである。
【図１５Ｂ】図１５Ａのケースにおける膨脹弁の質量流量の制御入力を示すグラフである。
【図１５Ｃ】図１５Ａのケースにおける膨脹弁開口の制御出力を示すグラフである。
【図１５Ｄ】図１５Ａのケースにおける熱流の制御出力を示すグラフである。
【図１５Ｅ】図１５Ａのケースにおける過熱の制御出力を示すグラフである。
【図１６Ａ】異なる３種類の負荷状態があり、フィードバック線形化に算出誤差がないと想定した場合において、初期値６ｍから所定値７．３２ｍまで制御される二相区画の長さｌ（ｔ）の時間応答を示すグラフである。
【図１６Ｂ】図１６Ａのケースにおける膨脹弁開口の制御出力を示すグラフである。
【図１７Ａ】フィードバック線形化に算出誤差がないと想定した場合において、１１．３Ｃの初期値から５Ｃの所定値まで制御される過熱の制御出力を示すグラフである。
【図１７Ｂ】図１７Ａのケースにおける膨脹弁開口の制御出力を示すグラフである。
【図１８】下位蒸発装置モデルを示す概略図である。
【図１９】本発明に係る多ユニットシステムを示す概略図である。
【図２０】流入質量流量の入力を示すグラフである。
【図２１】流出質量流量を示すグラフである。
【図２２】Ｔｅの測定出力値を想定した蒸発温度を示すグラフである。
【図２３】壁面温度Ｔｗについて、本発明に係るモデルおよび非線形オブザーバから得たＴｗを比較して示すグラフである。
【図２４】二相区画の長さｌについて、本発明に係るモデルおよび非線形オブザーバから得たｌを比較して示すグラフである。
【図２５】室内ファン速度の上昇に対する過熱の応答について、本発明のフィードバック線形化およびＰＩ制御で、過熱を５Ｃから所定値３．５Ｃに制御した場合、およびフィードバックＰＩ制御で前記制御を行った場合について示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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