(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
室内への給気の温度および湿度を制御する空調制御方法において、
前記室内への給気の温度を計測し、
この給気温度の計測値と目標値との差に応じた操作量を求め、
この操作量に基づいて、前記給気温度の計測値と目標値とが一致するように、前記室内への給気温度を制御する一方、
前記室内への給気に含まれる水分量を増加させる加湿器が起動された場合、この加湿器の起動によって発生する気化冷却効果による給気温度の低下を相殺する相殺操作量を予測し、この相殺操作量を前記給気温度の計測値と目標値との差に応じた操作量に加えるようにした
ことを特徴とする空調制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載された空調制御方法において、
前記加湿器の起動によって発生する気化冷却効果を表す伝達関数をＧ（ｓ）、前記給気温度の計測値と目標値との差に応じた操作量と給気温度との関係を表す伝達関数をＰ（ｓ）としたとき、Ｆ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）／Ｐ（ｓ）となる伝達関数Ｆ（ｓ）を有する予測モデルにより前記相殺操作量を求めることを特徴とする空調制御方法。
【請求項３】
室内への給気の温度および湿度を制御する空調制御装置において、
前記室内への給気の温度を計測する給気温度計測手段と、
この給気温度計測手段によって計測された給気温度の計測値と目標値との差に応じた操作量を求め、この操作量に基づいて、前記給気温度の計測値と目標値とが一致するように、前記室内への給気温度を制御するフィードバック手段と、
前記室内への給気に含まれる水分量を増加させる加湿器と、
この加湿器が起動された場合、この加湿器の起動によって発生する気化冷却効果による給気温度の低下を相殺する相殺操作量を予測し、この相殺操作量を前記給気温度の計測値と目標値との差に応じた操作量に加えるフィードフォワード手段と
を備えたことを特徴とする空調制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載された空調制御装置において、
前記フィードフォワード手段は、前記相殺操作量を求める予測モデルを備え、前記加湿器の起動によって発生する気化冷却効果を表す伝達関数をＧ（ｓ）、前記給気温度の計測値と目標値との差に応じた操作量と給気温度との関係を表す伝達関数をＰ（ｓ）としたとき、前記予測モデルの伝達関数Ｆ（ｓ）がＦ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）／Ｐ（ｓ）として設定されていることを特徴とする空調制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、室内への給気の温度および湿度を制御する空調制御方法および空調制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
室内への給気の温度および湿度を制御する空調制御装置の概略を図４に示す。同図において、１は空調機、２は空調機１からの給気の供給を受ける被制御室（室内）、３はコントローラ、４は被制御室２への給気の温度を検出する給気温度センサ、５は被制御室２からの還気の湿度を検出する還気湿度センサ、６は冷水弁、７は温水弁である。
【０００３】
空調機１は、冷却用熱交換器（冷却コイル）１−１と、加熱用熱交換器（加熱コイル）１−２と、加湿器１−３と、送風機１−４とを有している。冷水弁６は冷却コイル１−１への冷水の供給通路に設けられている。温水弁７は加熱コイル１−２への温水の供給通路に設けられている。以下では、冷却コイル１−１と加熱コイル１−２を総称して熱交換器１−５とする。
【０００４】
加湿器には、蒸気式，気化式，超音波式など、色々な種類がある。中でも気化式の加湿器はもっともよく利用されている。この例において、加湿器１−３は、気化式の加湿器が用いられているものとする。気化式の加湿器は、水分を気化させることによって、通過空気に含まれる水分量を増加させる。このときの空気の状態変化は断熱（等エンタルピ）変化になる。したがって、蒸発した水分量に応じて、通過空気の温度は低下する。また、気化式の加湿器は、ＯＮ／ＯＦＦ（起動／停止）で制御される。
【０００５】
この空調制御装置において、コントローラ３には、給気温度の目標値ｔｓｐと還気湿度の目標値ＲＨｓｐとが設定される。コントローラ３は、給気温度センサ４からの給気温度の計測値ｔｐｖと目標値ｔｓｐとが一致するように、熱交換器１−５への冷温水の量（バルブ開度）制御する。すなわち、ｔｐｖとｔｓｐとが一致するように、被制御室２への給気温度（ｔｐｖ）をフィードバック制御する。また、還気湿度センサ５からの還気湿度の計測値ＲＨｐｖと目標値ＲＨｓｐとを比較し、ＲＨｐｖがＲＨｓｐを下回ると、加湿器１−３を起動する。すなわち、加湿器１−３をＯＮとし、ＲＨｐｖがＲＨｓｐを下回らないように給気に含まれる水分量（湿度）を制御する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
加湿器１−３が起動されると、直ぐに加湿器への給水が始まり、水分が気化され、通過空気に含まれる水分量が増加する。これにより、通過空気の温度が下がり、被制御室２への給気温度が急激に低下する。この通過空気に含まれる水分量の増加による通過空気の温度低下を気化冷却効果と呼ぶ。この加湿器１−３の気化冷却効果は給気温度の制御に対して外乱として働く。
【０００７】
図５に加湿器１−３をＯＮ／ＯＦＦした場合の加湿器１−３への空気の入口温度および加湿器１−３からの空気の出口温度の変化（ステップ応答）を示す。同図において、Ｉは加湿器１−３のＯＮ／ＯＦＦを示し、IIは加湿器１−３への空気の入口温度、III は加湿器１−３からの空気の出口温度を示している。この応答結果からも分かるように、Ｔ１〜Ｔ２の期間、加湿器１−３が起動されると、その気化冷却効果によって加湿器１−３からの空気の出口温度が急激に下がる。すなわち、加湿器１−３の気化冷却効果が給気温度の制御に対して外乱として働くことが分かる。
【０００８】
図６に図４に示した空調制御装置の制御ブロック図を示す。同図において、８は給気温度制御ブロックであり、９は湿度制御ブロックである。
給気温度制御ブロック８では、給気温度の計測値ｔｐｖを誤差演算部８−１にフィードバックして給気温度の目標値ｔｓｐとの差を求め、この計測値ｔｐｖと目標値ｔｓｐとの差をＰＩＤ演算部８−２へ与えて熱交換器１−５への操作量（バルブ開度）を求め、この操作量によって空調プロセス８−３の出力値である給気温度（制御量）を制御する。
【０００９】
湿度制御ブロック９では、還気湿度の計測値ＲＨｐｖを誤差演算部９−１にフィードバックして還気湿度の目標値ＲＨｓｐとの差を求め、この計測値ＲＨｐｖと目標値ＲＨｓｐとの差をＯＮ／ＯＦＦ制御部９−２へ与える。ＯＮ／ＯＦＦ制御部９−２は、少なくとも計測値ＲＨｐｖが目標値ＲＨｓｐを下回っている間、加湿器１−３へＯＮ指令を与え、目標値ＲＨｓｐを超えるとＯＮ指令をＯＦＦにする。このＯＮ／ＯＦＦ指令によって空調プロセス９−３の出力値である湿度（制御量）を制御する。
【００１０】
給気温度制御ブロック８における給気温度のフィードバック制御では、給気温度（制御量）が変化して（計測値ｔｐｖと目標値ｔｓｐとの差が生じて）初めて、その影響が操作量（バルブ開度）に反映される。また、空調制御においては、操作量の変化が制御量の変化として反映されるまでの時間遅れも無視できない。したがって、加湿器１−３の気化冷却効果による急激な外乱変化に対しては、即応することができない。
【００１１】
なお、ＰＩＤ演算部８−２におけるパラメータを調整することにより、フィードバック制御の感度を高めて応答時間を短くすることも考えられるが、オーバシュートや操作端のハンチングなどが生じる虞れがあり、得策ではない。
【００１２】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、加湿器の気化冷却効果による急激な外乱変化に即応し、安定した給気温度制御を提供することのできる空調制御方法および空調制御装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明は、給気温度の計測値と目標値との差に応じた操作量を求め、この操作量に基づいて給気温度の計測値と目標値とが一致するように室内への給気温度を制御する一方、室内への給気に含まれる水分量を増加させる加湿器が起動された場合、この加湿器の起動によって発生する気化冷却効果による給気温度の低下を相殺する相殺操作量を予測し、この相殺操作量を給気温度の計測値と目標値との差に応じた操作量に加えるようにしたものである。
【００１４】
この発明によれば、加湿器が起動されると、この加湿器の起動によって発生する気化冷却効果による給気温度の低下を相殺する相殺操作量が予測され、この相殺操作量が給気温度の計測値と目標値との差に応じた操作量に加えられる。これにより、加湿器の気化冷却効果による外乱が、系に影響を及ぼす前に先回りして打ち消される。すなわち、本発明では、加湿器が起動されると、給気温度の計測値と目標値とを一致させるフィードバック制御に加え、給気温度の計測値と目標値との差に応じた操作量に相殺操作量を加えてのフィードフォワード制御が行われ、フィードバック制御によって給気温度の定値制御が実施される一方、フィードフォワード制御によって加湿器の気化冷却効果による給気温度の低下を相殺する外乱抑制が実施される。
【００１５】
なお、相殺操作量は、加湿器の起動によって発生する気化冷却効果を表す伝達関数をＧ（ｓ）、給気温度の計測値と目標値との差に応じた操作量と給気温度との関係を表す伝達関数をＰ（ｓ）としたとき、Ｆ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）／Ｐ（ｓ）として設定された伝達関数Ｆ（ｓ）を有する予測モデルにより求める。
【００１６】
給気温度制御の場合、Ｐ（ｓ）とＧ（ｓ）は設備仕様（コイル冷暖能力、加湿量、給水量）などから推定できる。もし、相殺操作量による給気温度の変化（Ｆ（ｓ）＊Ｐ（ｓ））と気化冷却効果とが操作できれば、すなわちＦ（ｓ）＊Ｐ（ｓ）−Ｇ（ｓ）＝０が成り立てば、給気温度への外乱の影響はゼロになる。したがって、Ｐ（ｓ）とＧ（ｓ）とを求め、Ｆ（ｓ）をＦ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）／Ｐ（ｓ）として設定した予測モデルにより相殺操作量を求めれば、この相殺操作量を給気温度の計測値と目標値との差に応じた操作量に加えることによって、加湿器の気化冷却効果によって生じるであろう給気温度の低下が抑制される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明の一実施の形態を示す空調制御装置の制御ブロック図であり、その特徴的な部分として給気温度制御ブロックを抽出して示している。なお、同図において、図６と同一符号は同一或いは同等構成要素を示す。
【００１８】
この給気温度制御ブロック８’では、気化式の加湿器１−３の起動によって発生する気化冷却効果による給気温度の低下を相殺する相殺操作量を予測するＦＦモデル（予測モデル）８−４を設け、このＦＦモデル８−４からの相殺操作量を加算器８−５に与え、ＰＩＤ演算部８−２からの操作量にＦＦモデル８−４からの相殺操作量を加えて、熱交換器１−５への操作量（バルブ開度）としている。
【００１９】
なお、図１において、８−６は加湿器１−３の起動によって発生する気化冷却効果が給気温度（制御量）に与える外乱を示す外乱モデルである。また、Ｆ（ｓ）はＦＦモデル８−４における伝達関数、Ｇ（ｓ）は外乱モデル８−６における伝達関数、Ｐ（ｓ）は空調プロセス８−３における伝達関数である。Ｇ（ｓ）は加湿器１−３の起動によって発生する気化冷却効果を表し、Ｐ（ｓ）は空調プロセス８−３における操作量と給気温度との関係を表す。
【００２０】
〔予測モデルへの伝達関数Ｆ（ｓ）の設定〕
図２に図１の等価ブロック図を示す。図１のＦＦモデル８−４と外乱モデル８−６とは、その伝達関数を「Ｆ（ｓ）＊Ｐ（ｓ）−Ｇ（ｓ）」とするモデル８−７に置き換えることができる。この等価ブロック図において、Ｆ（ｓ）＊Ｐ（ｓ）−Ｇ（ｓ）＝０が成り立てば、給気温度への外乱の影響はゼロになる。すなわち、Ｆ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）／Ｐ（ｓ）が成り立てば、給気温度への外乱の影響はゼロになる。
【００２１】
そこで、本実施の形態では、Ｐ（ｓ）とＧ（ｓ）とを求め、予測モデル８−４における伝達関数Ｆ（ｓ）をＦ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）／Ｐ（ｓ）として設定することによって、給気温度への外乱の影響をゼロとするようにしている。
【００２２】
室内温度制御や還気温度制御の場合、室内熱負荷（照明、人体、機器発熱）や外気温度、日射量などの影響を受けるので、Ｐ（ｓ）とＧ（ｓ）を求めるのは容易ではない。これに対し、給気温度制御では、Ｐ（ｓ）とＧ（ｓ）は正確に求めることが可能である。
【００２３】
給気温度制御において、Ｐ（ｓ）とＧ（ｓ）を「ゲイン」と「１次遅れ」と「むだ時間」で表現した場合には、それぞれ下記（１）式および（２）式となる。これらの式において、Ｋｐ，Ｋｇはゲイン、Ｔｐ，Ｔｇは１次遅れ、Ｌｐ，Ｌｇはむだ時間であり、空調機の設計条件やステップ応答で知ることができる。
Ｐ（ｓ）＝Ｋｐ／（１＋Ｔｐ＊ｓ）ｅ-Lp*s    ・・・・（１）
Ｇ（ｓ）＝Ｋｇ／（１＋Ｔｇ＊ｓ）ｅ-Lg*s    ・・・・（２）
【００２４】
このＰ（ｓ）とＧ（ｓ）とにより、伝達関数Ｆ（ｓ）を、
Ｆ（ｓ）＝（Ｋｇ／Ｋｐ）＊｛（１＋Ｔｐ＊ｓ）／（１＋Ｔｇ＊ｓ）｝ｅ-(Lg-Lp)*s  ・・・・（３）
として求め、ＦＦモデル８−４に設定する。
【００２５】
〔フィードバック制御とフィードフォワード制御〕
図１において、加湿器１−３が起動されると、加湿器１−３が起動されたことが予測モデル８−４へ知らされる。予測モデル８−４は、上記（３）式によって設定されている伝達関数Ｆ（ｓ）により、加湿器１−３の起動によって発生する気化冷却効果による給気温度の低下を相殺する相殺操作量を予測し、この相殺操作量を加算器８−５へ与える。加算器８−５は、ＰＩＤ演算部８−２からの操作量に予測モデル８−４からの相殺操作量を加えて、熱交換器１−５への操作量とする。なお、加湿器１−３がＯＦＦの時、予測モデル８−４からの相殺操作量はゼロとされている。
【００２６】
これにより、加湿器１−３の気化冷却効果による外乱が、系に影響を及ぼす前に先回りして打ち消される。すなわち、本実施の形態では、加湿器１−３が起動されると、給気温度の計測値ｔｐｖと目標値ｔｓｐとを一致させるフィードバック制御に加え、給気温度の計測値ｔｐｖと目標値ｔｓｐとの差に応じた操作量に相殺操作量を加えてのフィードフォワード制御が行われ、フィードバック制御によって給気温度の定値制御が実施される一方、フィードフォワード制御によって加湿器の気化冷却効果による給気温度の低下を相殺する外乱抑制が実施される。これにより、加湿器１−３の気化冷却効果による急激な外乱変化に即応し、安定した給気温度制御を提供することができるようになる。
【００２７】
Ｆ（ｓ）によるＦＦ制御成分がどのような波形になるかについて説明する。Ｋｐ＝１０，Ｔｐ＝２００，Ｌｐ＝５０，Ｋｇ＝５，Ｌｇ＝５０として、Ｔｇ＝５０，１００，２００，３００，１０００と、変えた場合のＦＦ制御成分の波形をみてみる。むだ時間は同じなので相殺され、波形は図３に示すグラフのようになる。Ｆ（ｓ）の式から分かるように、ＦＦ制御成分は、（ＫｐＴｐ／ＧｐＴｇ）に漸近する。プロセス遅れ時間に比べて、外乱遅れ時間が小さい場合では、ＦＦ制御成分は、減少漸近の急峻な波形となる（Ｔｇ＝５０、１００）。一方、プロセス遅れ時間に比べて、外乱遅れ時間が大きい場合では、ＦＦ制御成分は、増加漸近するなだらかな波形となる（Ｔｇ＝３００、１０００）。因に、プロセス遅れ時間と外乱遅れ時間が等しい場合には、一定のＦＦ制御成分（Ｔｇ＝２００）となる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように本発明によれば、加湿器が起動されると、給気温度の計測値と目標値とを一致させるフィードバック制御に加え、給気温度の計測値と目標値との差に応じた操作量に相殺操作量を加えてのフィードフォワード制御が行われ、フィードバック制御によって給気温度の定値制御が実施される一方、フィードフォワード制御によって加湿器の気化冷却効果による給気温度の低下を相殺する外乱抑制が実施されるものとなり、加湿器の気化冷却効果による急激な外乱変化に即応し、安定した給気温度制御を提供することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態を示す空調制御装置の制御ブロック図である。
【図２】  図１の等価ブロック図である。
【図３】  ＦＦ制御成分の波形例を示す図である。
【図４】  室内への給気の温度および湿度を制御する空調制御装置の概略を示す計装図である。
【図５】  加湿器をＯＮ／ＯＦＦした場合の入口温度および出口温度の変化（ステップ応答）を示す図である。
【図６】  図４に示した空調制御装置の制御ブロック図である。
【符号の説明】
１…空調機、１−１…冷却コイル、１−２…加熱コイル、１−３…加湿器、１−４…送風機、１−５…熱交換器、２…被制御室（室内）、３…コントローラ、４…給気温度センサ、５…還気湿度センサ、６…冷水弁、７…温水弁、８’…給気温度制御ブロック、８−１…誤差演算部、８−２…ＰＩＤ演算部、８−３…空調プロセス、８−４…ＦＦモデル（予測モデル）、８−５…加算器、８−６…外乱モデル。
【図１】
0004177600.tif 000002
【図２】
0004177600.tif 000003
【図３】
0004177600.tif 000004
【図４】
0004177600.tif 000005
【図５】
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【図６】
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