JPH1068554A - 蒸気圧縮サイクルにおける設定値最適化 - Google Patents

蒸気圧縮サイクルにおける設定値最適化

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JPH1068554A
JPH1068554A JP9141402A JP14140297A JPH1068554A JP H1068554 A JPH1068554 A JP H1068554A JP 9141402 A JP9141402 A JP 9141402A JP 14140297 A JP14140297 A JP 14140297A JP H1068554 A JPH1068554 A JP H1068554A
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Riu Schon
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Don He Kian
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、リアル−タイムオン−ラインシス
テム出力測定および熱負荷および環境に基づいてシステ
ム設定点を最適化する蒸気圧縮システムに関する。 【解決手段】 設定点最適化による蒸気圧縮システム
は、システムが最適なエネルギー効率で運転される様
に、一連の熱力学的運転パラメータを造り出す。屋内お
よび屋外温度の様な環境的条件ならびに熱負荷に基づ
き、定常状態設定点のための一連のパラメータを造り出
す。また、システムは、実際のシステム特性をリアル−
タイムで監視し、それらを設定点計算モジュールへフィ
ードバックする。これらの実際のリアル−タイム測定に
基づき、新しい定常状態設定点を生み出し、環境的およ
び熱負荷条件の変化に対して最大限の効率係数で運転を
続行することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】蒸気圧縮サイクルは、ヒートポン
プおよび冷凍および空調機構の様な工業的および住宅用
途に広く使用されている。その様な装置の効率を改良す
るための蒸気圧縮サイクルのモデル化および制御は一般
的な研究課題である。変速駆動装置および変位バルブを
蒸気圧縮サイクルへ導入することにより、運転の融通性
が大きく改善されている。コンプレッサー速度を連続的
に調整し、冷媒の流量を調整することができる。蒸発装
置およびコンデンサーにおけるファン速度を変えること
により、空気と熱交換機壁の間の熱伝達係数を変えるこ
とができる。膨張バルブの開きを変えることにより、高
圧側と低圧側の間の圧力降下に直接影響を及ぼすことが
でき、それによって、冷媒の流量ならびに蒸発装置の出
口における過熱が影響される。これらの融通性のある部
品により、エネルギー効率および機械の信頼性の両方を
改良する可能性が得られる。
【０００２】
【従来の技術】代表的な先行技術の蒸気圧縮システムで
は、システム状態変数またはベクトルにより限定される
システム定常状態設定点または運転点は、内部および外
部温度およびシステム熱負荷の様な環境条件により決定
される。望ましいシステム定常状態点の状態変数は、蒸
発圧Ｐe 、蒸発装置出口における過熱（ＳＨ）、凝縮圧
Ｐc およびコンデンサー出口におけるサブクール（Ｓ
Ｃ）を含む特定のシステム熱力学的パラメータを限定す
る。制御装置は、設定点パラメータを、システムの様々
な構成要素を制御する制御入力に変換し、それらのパラ
メータを予め設定された所望の水準に維持する。これら
の制御入力は、コンプレッサー速度ωc 、膨張バルブの
開口ａv 、蒸発装置のファン速度ｖe およびコンデンサ
ーのファン速度ｖc を含むことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】屋内または屋外温度の
低下または増加、または熱負荷条件の変化の様な環境条
件の本質的な変化が起こる所では、新しい定常状態設定
点が必要になる。先行技術のシステムでは、新しい設定
点の必要性は、システムを監視するオペレーターによ
り、一般的に手動で確認されている。同様に、新しい設
定点の決定および制御入力の新しい適切な値への調整も
手動で行なわれている。新しい設定点に再設定する時の
時間遅延の際に、そのシステムの効率は大きく低下す
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、リアルタイム
のオンラインシステム出力測定、および熱負荷および環
境条件に基づき、システムの設定点を最適化する蒸気圧
縮サイクルに関する。本発明のシステムでは、システム
出力状態変数を示す信号を、必要に応じてシステム設定
点を最新のものにする設定点最適化モジュールにフィー
ドバックする。実際のシステム測定に基づいて設定点を
リアルタイムで調節することにより、システムは最適な
性能係数（ＣＯＰ）を維持することができ、したがって
最大限の効率で運転することができる。
【０００５】設定点最適化モジュールは、モジュール入
力に基づく設定点状態変数パラメータを創出するのに使
用される蒸気圧縮サイクルのモデルを含む。これらのパ
ラメータには、環境的および熱的な負荷条件ならびにリ
アルタイムパラメータが含まれる。これらの変数を使用
し、モデルは望ましい定常状態設定点を創出し、更新す
る。設定点パラメータは、物質およびエネルギーの収支
およびそのモデルにより限定される他の束縛状態（cons
traints ）を満足させながら性能係数を最大にする様
に、モデルにより選択される。
【０００６】一実施態様では、本発明のシステムは、設
定点を計算し、実行する上記の設定点最適化方法に反し
て、僅かな動揺に応答してシステムの瞬間的な状態変数
を動的に調節するために使用されるダイナミックモデル
も含む。この動的制御は、望ましい設定点からの実際の
設定点の変動に基づいて、制御入力をシステム構成要素
に発生する制御装置を含む。好ましい実施態様では、こ
の制御装置は、複数の入力、複数の出力（ＭＩＭＯ）、
複数の変数が関与する制御装置である。制御装置は、複
数の設定点パラメータおよび複数の装置制御入力の影響
を最も効率的に結合し、非常に速い応答時間で設定点を
最適調整する。制御装置の好ましい実施態様では、利得
予定（gain scheduling ）関数を使用し、望ましい設定
点に応じて新しい制御装置利得値を選択する。
【０００７】蒸気圧縮サイクルでは、その加熱または冷
却用途に応じて、蒸発装置およびコンデンサーが、それ
ぞれ屋内または屋外の空気と相互作用する２相流熱交換
機である。サイクル運転の際、エネルギー効率は、その
サイクルループ中の各種構成部品における冷媒の熱力学
的状態に密接に依存している。原則的に、サイクルルー
プは、蒸発温度または蒸発圧Ｐe 、凝縮温度または凝縮
圧Ｐc 、蒸発装置出口に置ける過熱ＳＨ、およびコンデ
ンサー出口におけるサブクーリングＳＣにより特徴付け
ることができる。これらの状態変数およびそれらの動的
挙動を適切に調整することにより、エネルギー効率の高
い運転を行ない、機械の耐用寿命を延ばすことができ
る。例えば、過熱調整は、コンプレッサーの運転に極め
て重要である。望ましい過熱は、通常は５℃〜１０℃に
設定される。これより低い値では、液体冷媒がコンプレ
ッサー内に侵入する危険性がある。この値が高過ぎる
と、エネルギー効率が低くなり、過度に加熱された蒸気
がコンプレッサーの排出温度を劇的に増加させることが
ある。
【０００８】実際には、過熱は恒温膨張バルブにより調
整することが多い。恒温膨張バルブを使用する場合、振
動性挙動または「乱調」が起こり易いことが知られてい
る。その様な振動性挙動は、冷媒流および恒温バルブか
らなる閉ループ系の動力学に帰すことができる。
【０００９】長年にわたり、ヒートポンプおよび空調機
は、温度調節に関しては周期的なオン−オフ様式で行な
われている。オン−オフ制御に伴う頻繁な始動および停
止の移行過程がエネルギー効率を悪くすることは良く知
られている。蒸気圧縮サイクルに変速コンプレッサーを
導入することにより、その運転上の融通性が大きく改良
されている。熱交換機能力を調整して実際の負荷条件に
適合させるために、コンプレッサー速度を連続的に調節
することができる。したがって、不連続的なオン−オフ
運転を回避し、エネルギー効率を改善することができ
る。これは一般的に能力制御と呼ばれている。
【００１０】変速コンプレッサーに加えて、ヒートポン
プおよび空調システムには、可変膨張バルブおよび変速
ファンも使用できる。膨張バルブの開口は、冷媒の流量
ならびにコンデンサーと蒸発装置の間の圧力低下に影響
を及ぼすことができ、全体的な性能係数（ＣＯＰ）を変
えることがあるのみならず、蒸発装置出口における過熱
にも直接影響する。２基の熱交換機に対するファン速度
の影響は、空気と熱交換機の壁との間の伝熱係数にあ
る。ファン速度を変えることにより、伝熱速度を変える
ことができ、それによってＣＯＰ、蒸発圧Ｐe 、凝縮圧
Ｐc 、過熱ＳＨ、ならびにサブクールＳＣも変化する。
【００１１】これらの変速駆動装置は、エネルギー効率
および機械の運転信頼性の両方を改良する可能性を提供
する。しかし、これらの始動入力を蒸気圧縮サイクルの
運転に十分に活用できる様にする前に、各作動装置の、
過渡期および定常状態における挙動を含めて、全体的な
サイクル挙動に影響する役割を明らかにしなければなら
ない。特に、能力調整および過熱制御の様な複数の目標
を達成するために、これらの様々な入力をどの様に組み
合わせ、調整するかが、非常に重要な課題である。この
ためには、蒸気圧縮サイクルの物理的挙動を正しく理解
することが不可欠である。本発明の主目的の一つは、市
販のヒートポンプおよび空調システムに容易に応用でき
る高度の管理および診断体系を立案するために、蒸気圧
縮サイクル動力学の有効なモデルを開発し、実証するこ
とである。
【００１２】蒸気圧縮サイクルの運転制御に関して、主
要な経済的利益は、動的な過渡的挙動を制御することか
らではなく、定常状態運転条件の最適化、すなわち最適
設定点の決定から得られるのである。しかし、サイクル
全体が非常に効率的な動的制御装置により支配され、よ
り優れた指令が続き、混乱が排除される時にのみ、最適
設定点に到達し、維持することができる。特に、制御性
能の改良により、蒸発装置の出口における過熱を低い値
に設定することができるので、蒸発装置を離れる前の冷
媒の完全な蒸発を確保したまま、蒸発装置を横切る伝熱
容量を増加させることができる。
【００１３】蒸気圧縮機械のエネルギー効率に関して最
適な運転を達成するために、制御システムは、周囲の条
件および熱的な必要条件に応じて最適設定点を自動的に
計算し、この最適設定点にできるだけ近くで運転する様
に機械の動力学を制御し、制御装置中で利得を調節（予
定）し、常に安定したフィードバック制御を確保できな
ければならない。
【００１４】１．設定点の最適化 ヒートポンプや空調装置では、変速コンプレッサーおよ
び可変電子膨張バルブに加えて、屋内および屋外の変速
ファンも使用できる。冷却（または加熱）負荷条件また
は熱的な快適性の条件を満たすことができる、コンプレ
ッサー速度、屋内ファン速度、屋外ファン速度、および
膨張バルブの開口の多くの組合わせがある。しかし、Ｃ
ＯＰが最大限になる、最もエネルギー効率の良い運転
は、これらの制御入力のある一定の組合わせ、すなわち
最適設定点に相当する。最適設定点が任意の屋内および
屋外環境で決定され、安定化される場合、これらの最新
の変速駆動装置を利用し、蒸気圧縮システムのエネルギ
ー効率を大幅に改良することができる。上記の多変数制
御は、変化している屋外温度下で、変化している最適設
定点間で最適設定点を安定化させる、または迅速で安定
した推移を実現することができる。
【００１５】図１は、設定点を最適化した本発明の蒸気
圧縮システムの機能ブロックダイアグラムである。シス
テム１００は、それぞれ屋内および屋外温度Ｔi および
Ｔeを含む環境入力、およびシステムのための熱負荷条
件ＴL を受け取る設定点計算モジュール１１０を含む。
設定点計算モジュール１１０は、これらの入力を使用
し、システムに望ましい定常状態設定点を計算する。
【００１６】定常状態設定点は、ライン１１２上の、望
ましい設定点を達成するのに必要な熱力学的パラメータ
用の値を含む、状態変数またはベクトルｘs の形態の出
力である。合計節１１６は、ライン１１２上の望ましい
設定点ベクトルをライン１１３上のフィードバック信号
と合計し、ライン１１５上の出力誤差信号を発生し、制
御装置１１４に送る。制御装置１１４は、好ましくは以
下に説明する多変数制御装置である。
【００１７】制御装置１１４は、蒸気圧縮機械１２０の
各種構成部品の駆動に使用する制御入力を含む、ライン
１１８上の出力を生じる。この出力は、制御ベクトルＵ
の形態であり、コンプレッサー速度、膨張バルブの開
口、コンデンサーファン速度および蒸発装置ファン速度
の制御に使用される制御信号を含む。これらの制御入力
は、ライン１１８上で蒸気圧縮機械１２０により受診さ
れ、機械１２０の構成部品を必要に応じて調整する。
【００１８】蒸気圧縮機械１２０は、冷媒圧や温度の様
な、システムの様々な物理特性を検出する複数のセンサ
ーを含む。これらの実際に感知された信号は、機械から
ライン１２２上に出力される。これらの信号はライン１
１３を経由して合計節１１６にフィードバックされ、ラ
イン１１５上に誤差信号を発生し、その信号を使用して
制御装置１１４への入力を動的に更新する。このライン
１１３を経由するフィードバックループは、以下に説明
する様に、蒸気圧縮システム１００の直線的モデルにし
たがって設定点を動的に調節するのに使用される。
【００１９】ライン１２２上の出力測定は、ライン１２
４を経由して設定点計算工程にもフィードバックされ
る。下記の説明にしたがって、システムの性能係数（Ｃ
ＯＰ）を最大限にする必要がある場合、これらのフィー
ドバックされたリアルタイムオンライン測定が設定点計
算工程１１０により使用され、新しい設定点が決定され
る。この定常状態設定点調節は、屋内および／または屋
外温度あるいは熱負荷の低下または増加の様なファクタ
ーにより引き起こされるシステム運転の大きな変化によ
り、望ましい設定点が、そのシステムが下記の直線化さ
れたモデルでは最早作動しなくなる程変化する場合に、
有利である。これらの状況下で、制御装置１１４、蒸気
圧縮機械１２０およびライン１１３を含んでなる動的調
節ループにより、機械は最適な運転を行なうことができ
ない。定常状態の望ましい設定点を新しい設定点に再調
節し、ゲインスケジューラー１２１を使用し、ライン１
１９を経由して制御装置１１４における利得値を再調節
することにより、動的制御ループは、新しい設定点の周
りで、モデルの直線領域で運転し続け、それによって最
適性能を高エネルギー効率で発揮することができる。
【００２０】ここで、設定点の最適化を詳細に説明す
る。設定点最適化方法は、蒸気圧縮システムを最大性能
係数（ＣＯＰ）で運転できる最適設定点を識別するため
の、モデルに基づく、オンライン方法を含む。この方法
の新規な特徴は、蒸気圧縮サイクルの分析モデルおよび
サイクル運転中にオンラインで得たセンサー測定値を使
用することにある。
【００２１】蒸気圧縮サイクルでは、性能係数は、総熱
容量の入力仕事に対する比として定義される。 ＣＯＰ ＝ 熱容量 ／ 入力仕事 （１） 蒸気圧縮サイクルの必須熱力学的変数は、図２に示す様
な圧力−エンタルピー（Ｐ−ｈ）ダイアグラムを使用し
て都合よく決定することができる。蒸気圧縮サイクルの
運転を唯一限定する必須熱力学的状態変数は、ｈ1 s（点
「１」におけるエンタルピー）、ｈ2 s（点「２」におけ
るエンタルピー）、ｈ3 s（点「３」におけるエンタルピ
ー）、Ｐe （蒸発圧）およびＰc （凝縮圧）を含む。上
付文字「ｓ」は、この説明文中、定常状態を意味する。
図２における「１」と「２」の間の部分は、蒸発工程に
相当する。「２」から「３」の部分は、圧縮工程に相当
する。「３」から「４」の部分は、凝縮工程に相当す
る。「４」から「１」の部分は、膨張工程に相当する。
【００２２】Ｐ−ｈダイアグラムに規定する上記の熱力
学的状態変数に加えて、サイクルの熱容量に関する物理
的パラメータは、冷媒質量流量ｍs 、蒸発装置中の２相
部分の長さｌs e1 、コンデンサー中の過熱部分の長さｌ
s c1 、およびコンデンサー中の２相部分の長さｌs c2 を
含む。これらの変数は、蒸気圧縮サイクルの詳細図であ
る図３に規定する。
【００２３】全体で、サイクルの熱力学的状態および熱
容量を唯一限定する状態ベクトルにより定義される９種
類の変数がある。
【数１】 Ｚs 中に限定される９種類の変数は、下記の物質および
エネルギー収支の等式（９種類の等式）を満足させる。
【００２４】
【数２】
【数３】
【数４】
【数５】
【数６】
【数７】
【数８】
【数９】 Ｍc ＝ ０ （チャージインベントリーバランス） （１１）
【００２５】ここで、すべてのαがサイクル中の様々な
位置における熱係数であり、Ａe およびＡc はそれぞれ
蒸発装置およびコンデンサーの断面積であり、Ｔaeおよ
びＴacはそれぞれ蒸発装置側およびコンデンサー側にお
ける空気温度であり、ωs cはコンプレッサー速度であ
り、ａs vは膨張バルブの開口面積である。これら９つの
等式をまとめて、小さなベクトル値にした形態、 Ｆ（Ｚs ，ｕs ，α，θ）＝ ０ （１２） αT ＝［αe1αs1αe2αc1αc2αc3］ （１３） θT ＝［ＴaeＴac］ （１４）
【００２６】ベクトルｕs は、サイクルの熱力学的字容
態および熱容量に影響を及ぼすのに使用できるすべての
入力変数からなる。
【数１０】 設定点を最適化する問題は、物質およびエネルギー収支
抑制（等式（１２））ならびに熱負荷抑制を満足させな
がらＣＯＰを最大にできる様に、入力ベクトルｕs を見
出すこととして定義される。
【００２７】ＣＯＰは、（冷却モードに対して）解析的
に
【数１１】 等式（１６）中の分子は蒸発装置における熱交換率であ
る。分母では、項φc（ωs c）はコンプレッサーの動力
消費率を表わし、φf(υs e，υs c）は２基の熱交換機フ
ァンの動力消費率を表わす。関数φc（ωs c）およびφf
（υs e，υs c）は実験的に、または他の物理的推論に基
づいて確認することができる。設定点最適化過程の説明
を簡単にするために、ＣＯＰは一般的な関数形態 ＣＯＰ ＝ ＣＯＰ（Ｚs ，ｕs ，α，θ） （１７） で表わすことができる。
【００２８】熱負荷条件に適合するためには、蒸発装置
を横切る熱伝達速度（冷却モードに対して）がＱL 等し
くなければならない。すなわち Ｑe（Ｚs ，ｕs ，α，θ）＝ ＱL （１８） 数学的な意味では、最適化問題は次の様に説明できる。
ＣＯＰ＝ＣＯＰ（Ｚs ，ｕs ，α，θ）が最大になる様
なｕs を見出す。束縛を条件として、Ｆ（Ｚs ，ｕs ，
α，θ）＝０ Ｑe（Ｚs ，ｕs ，α，θ）＝ ＱL
【００２９】抑制された勾配下降近似は、好ましくは最
適機械設定点ｕs'をオン−ライン反復探査するために使
用する。ｕs ［ｉ］がｉth反復における機械設定点を意
味し、Δｕs［ｉ］がｕs［ｉ］における変化を意味する
とする。反復アルゴリズムは、新しい機械設定点 ｕ
s［ｉ＋１］＝ｕs［ｉ］＋Δｕs［ｉ］がより高いＣＯ
Ｐをもたらす様にΔｕs［ｉ］ を与えるべきである。抑
制勾配下降法に基づいて、Δｕs［ｉ］ は以下の式で与
えられる。
【数１２】
【００３０】ここで
【数１３】
【数１４】
【数１５】 であり、γは学習速度（小さな正の数）である。計算を
等式（１９）−（２２）に示す様に行なうためには、ベ
クトルＺs ［ｉ］における状態変数の値が必要であるこ
とに注意する。Ｚs ［ｉ］で、ｈs 1、ｈs 2、ｈs 3、
Ｐs e、Ｐs c、ｌs e1 、ｌs c1 およびｌs c2 は、低価格の
熱電対を使用して推定することができる。質量流量ｍ、
およびすべての熱伝達係数、すなわちすべてのα’は、
システムモデルＦ（Ｚs 、ｕs 、α、θ）＝０に基づい
て計算することができる。等式（１９）を使用してｕs
［ｉ］における補正を計算することにより、最適化手順
は、最適設定点Ｕs'に到達するまで反復して行なうこと
ができる。
【００３１】図４は、オン−ライン設定点最適化工程の
フローチャートを含む。先ず、工程２００で、熱負荷Ｑ
L を計算または推定する。次いで、初期制御設定点ｕs
［０］を発生させ、工程２０２で機械に入力する。次
に、工程２０４で、設定点入力工程２０２から得た蒸気
圧縮システムのＺs における状態変数を、センサー測定
値に基づいて推定する。工程２０６でｕs ［０］におけ
る補正を等式（１９）により行なう。工程２０８で設定
点を更新し、次いでこの新しい設定点を機械に入力す
る。更新された設定点は工程２１０で収束を確認する。
更新がなされていなければ、収束が達成されたのであ
り、処理は停止する。新しい制御ベクトルＵs*が出力さ
れる。収束が無ければ、新しい設定点を捜して同じ手順
を繰り返す。
【００３２】２．蒸気コンプレッサーサイクルのダイナ
ミックモデル形成 ２．１ パラメータを一まとめにしたダイナミックモデ
ル この項では、蒸気圧縮サイクルのパラメータを一まとめ
にしたダイナミックモデルを説明する。このダイナミッ
クモデルは、多変数フィードバック制御設計の目的で、
簡単で信頼性のあるモデルを引き出すために開発した。
このモデルは、運転点の近くにおける蒸気圧縮サイクル
の基本的な動的挙動を説明するのに有効であり、制御設
計に容易に利用できる。
【００３３】蒸気圧縮サイクルの動力学は、主として２
基の熱交換機、膨張バルブおよびコンプレッサーの動力
学からなり、適当な境界条件と結びついている。２基の
熱交換機の動力学は、冷媒、熱交換機チューブ、および
横切って流れる空気の間の熱伝達過程により決定され
る。その様な過程の時間定数は、短い過渡期間における
圧縮および膨張過程の様な、サイクル中の他の動的過程
の時間定数よりもはるかに大きい。したがって、システ
ム全体の動的成分として熱交換機だけをモデル化する。
コンプレッサーおよび膨張バルブは静止成分として取扱
う。様々な成分および幾つかの仮定に適用される第一の
原理に基づいて、蒸気圧縮サイクル用のダイナミックモ
デルを与えるための一連の等式を導くことができる。
【００３４】熱流体または他の、分割された性質を有す
るシステムに対してパラメータを一まとめにしたモデル
を構築する際の興味のある問題は、寸法を下げるために
これらのシステムをどの様に一つに信頼性良くまとめる
べきであるかが不明瞭なことである。実験から観察し
て、蒸気圧縮サイクルの実際の動的応答は、次数が非常
に低い系の挙動を示す。したがって、システムを低次ダ
イナミックモデルに簡略化することができる。蒸発装置
およびコンデンサーの両方で、２相冷媒が熱交換機の主
要部分を支配している。これらの２相部分の熱容量は単
相部分の熱容量よりもはるかに大きい。したがって、２
基の熱交換機の動力学は、２相区域における動的摂動に
より主として支配される。
【００３５】蒸気圧縮サイクルの重要な動力学を把握す
るために、図５にブロックダイアグラムの形で示す５次
のパラメータを一まとめにしたモデルを使用する。ここ
では、熱交換機に関連する５つの独立した状態変数だけ
を定義する。蒸発装置に関しては、２相部分の平均空隙
画分は比較的一定のままであると推定される。蒸発圧Ｐ
e および２相部分の長さｌe を状態変数として使用し、
蒸発装置の熱力学的状態の変化を調べる。コンデンサー
に関しては、コンデンサー全体における液体−蒸気混合
物の品質が比較的一定であると予想される。したがっ
て、コンデンサー中の冷媒中に保存されるエネルギーの
変化は、凝縮圧Ｐc の動的変化によってのみ特徴付ける
ことができる。２基の熱交換機チューブの壁温度Ｔwcお
よびＴweは、これらの熱交換機チューブに関連する熱キ
ャパシタンスが無視できないので、やはり独立した動的
変数であると考えられる。蒸発装置に関して、過熱挙動
は２相部分の長さに密接に関係している。
【００３６】このモデルを支配する等式を以下に示す。
【数１６】
【数１７】
【数１８】
【数１９】
【数２０】 上記の５種類の状態等式（２３）−（２７）は、それぞ
れ蒸発装置の２相部分における冷媒のエネルギー収支、
蒸発装置における冷媒の質量収支、蒸発装置のチューブ
壁のエネルギー収支、コンデンサー中の冷媒のエネルギ
ー収支、およびコンデンサーのチューブ壁のエネルギー
収支を表わす。
【００３７】５つの状態変数ｌe 、Ｐe 、Ｔwe、Ｐc 、
Ｔwcに加えて、上記の状態等式における他の変数および
パラメータは、蒸発装置に関連するもの、すなわち液体
冷媒の密度ρle、蒸気冷媒の密度ρge、液体から蒸気へ
のエンタルピー変化ｈlge 、チューブの内側面積Ａc 、
２相部分の主な空隙画分γc 、飽和蒸気のエンタルピー
ｈge、飽和液体のエンタルピーｈle、入口におけるエン
タルピーｈei、チューブ壁と冷媒の間の熱伝達係数
αei、チューブ壁と空気の間の当量熱伝達係数αai、チ
ューブの内径Ｄei、チューブの外径Ｄeo、冷媒の全体温
度Ｔre、蒸発装置の全長Ｌe 、チューブ壁の熱容量、密
度および断面積の乗法（Ｃp ρＡ）we、蒸発装置への入
口空気の温度Ｔac、およびコンデンサーに関連するも
の、すなわちコンデンサー全体における液体−蒸気混合
物の品質γc 、およびコンデンサー出口におけるエンタ
ルピーｈcoである。
【００３８】変数ｍy は、膨張バルブを通る冷媒の質量
流量である。膨張バルブを通って流れる液体冷媒は、下
記のオリフィス等式としてモデル化することができる。
【数２１】 ここで、Ｃv はオリフィス係数、αv は開口面積、ρv
は冷媒の密度である。電子式膨張バルブでは、バルブの
開口αv は連続的に調節できる変数である。
【００３９】コンプレッサーは低圧蒸気冷媒を高圧に圧
縮し、質量流量ｍcom を発生する。コンプレッサー壁は
外気から十分に絶縁されていると仮定する。一般的に、
空気コンプレッサー中の質量流量は、圧縮比、圧縮速度
および冷媒の密度により異なる。すなわち
【数２２】 ここで、ｆはコンプレッサーの性能マップにより与えら
れ、ωc はコンプレッサー速度であり、ρは冷媒の密度
である。
【００４０】コンプレッサーの出口におけるエンタルピ
ーｈei（コンデンサーの入口におけるエンタルピー）お
よびコンプレッサーの入口におけるエンタルピーｈ
eo（蒸発装置の出口におけるエンタルピー）の関係は、
【数２３】 により与えられるが、ここでｈcis は、圧縮過程が等エ
ントロピーである場合、コンプレッサー出口におけるエ
ンタルピーであり、ηc はコンプレッサーの性能マップ
により与えられるコンプレッサー係数である。蒸発装置
の出口におけるエンタルピーｈeoはＰe 、ｌe およびＴ
weにより異なる。コンデンサーの出口におけるエンタル
ピーｈcoはｈlcと等しいことが推定される。
【００４１】５種類の状態等式（等式（２３）、（２
７））、膨張バルブに関する等式（２８）、およびコン
プレッサーに関する等式（２９）および（３６）を組み
合わせることにより、下記の蒸気サイクルの５次ダイナ
ミックモデルが得られる。
【数２４】 ここで Ｘ ＝｛ｌe Ｐe Ｔwe Ｐc Ｔwc｝T Ｕ ＝｛ωc αv υe υc｝T 式中、υe およびυc はそれぞれ屋内ファン速度および
屋外ファン速度である。
【００４２】このダイナミックモデルでは、制御入力
は、コンプレッサー速度、膨張バルブ開口、屋内ファン
速度、および屋外ファン速度である。コンプレッサー速
度および膨張バルブ開口が冷媒流量に直接影響すること
は明らかである。ファン速度は蒸発装置およびコンデン
サーの周囲の空気流量に影響し、その空気流量は空気と
これらのサブシステムの間の熱伝達係数に影響する。蒸
気圧縮サイクルのこの非直線状ダイナミックモデルは、
いずれかの制御入力および周囲条件が与えられれば、蒸
発圧Ｐe（または温度Ｔe）、過熱ＳＨ、凝縮圧Ｐc（ま
たは温度Ｔc）、等の幾つかの重要な変数の動的応答を
与えることができる。
【００４３】２．２ モデルの直線化 ある運転点の近くにおける蒸気圧縮サイクルの動的挙動
を研究し、過渡的な挙動を調整するためのフィードバッ
ク制御を設計するために、上記のダイナミックモデルを
直線化することができる。直線化したモデルを使用する
ことにより、多変数制御システムを開発し、任意の運転
点における幾つかの重要な変数を調整し、所望のＣＯＰ
を維持するか、または異なった最適設定点間により優れ
た過渡的制御を与えることができる。
【００４４】等式（３１）に示す状態空間モデルは、５
つの状態変数すべての応答に対する制御入力に関連す
る。このモデルは、公称定常状態、例えばｘ5 ＝［ｌ5 e
Ｐ5 eＴ5 we Ｐ5 eＴ5 vc ］T に対してｕ5 ＝［ω5 cα5 vν
5 eν5 c］の周りの非直線微分方程式を直線化することに
より、直線形に変換することができる。ほとんどの場
合、蒸気圧縮サイクルは、周囲条件が一定のままである
場合、予め決められた運転点の近くでのみ運転する様に
設計されている。この設定点からの動的偏位は少量でし
か起こらない。すなわち Ｘ（ｔ）＝ｘ5 ＋ｘ（ｔ）、Ｕ（ｔ）＝ｕ5 ＋ｕ（ｔ） （３２） ここでｘ（ｔ）およびｕ（ｔ）はｘ5 およびｕ5 と比較
して小さな量である。これらの動的偏位を説明するモデ
ルは
【数２５】 として得られる。マトリックスＡおよびＢは直線化工程
で得られる。
【００４５】等式（３３）に示す直線化モデルは、ある
運転点の周囲の蒸気圧縮サイクル動力学の解析に使用で
きるだけではなく、蒸気圧縮サイクル動力学がこの近く
に確実に止まる様にするための制御設計にも十分に適し
ている。これは事実、動的システムが最適定常状態設定
点を中心にして制御される、制御装置設計の問題であ
る。この場合、制御目的は、空気流温度または屋外条件
ならびに他の機械構成要素の変化による妨害の存在下
で、蒸発温度、過熱、等を調整することであると定義さ
れる。直線システム用に開発された最新の制御技術を、
この制御装置設計の問題に利用することができる。
【００４６】３．蒸気圧縮サイクルの多変数制御 ３．１ 序 論 変速駆動技術の進歩は、蒸気圧縮システムにおけるシス
テムの性能およびエネルギー効率を改善するための非常
に大きな機会を提供している。コンプレッサー速度は、
熱交換機の容量を調整して実際の熱的負荷に適合させる
様に、連続的に調整することができる。ファンの速度を
変え、熱交換機を横切る熱伝達速度に影響を及ぼすこと
ができる。ステッパーモーターで駆動するニードルバル
ブの様に、膨張装置の開口を変え、冷媒の流量および圧
力低下を変えることができる。これらの変速および位置
可変駆動装置を備えた蒸気圧縮システムは、すでに何年
も前から住宅および商業用途に使用されている。しか
し、今日まで産業界は、性能を著しく改善するために、
これらの可変装置の利点を十分に活かしてはいない。ヒ
ートポンプおよび空調システムにおける第一の制御目的
は、熱交換容量を調整して実際の負荷条件に適合させる
ことにある。多年にわたり、これはコンプレッサーをサ
イクル状にオン−オフ様式で運転することにより行なっ
ている。これらの頻繁な始動および停止の過渡状態がエ
ネルギー効率を悪くすることは良く知られている。最新
の変速コンプレッサーにより、サイクル状のオン−オフ
法は、屋内温度をフィードバック信号として使用するフ
ィードバック制御方式により置き換えられている。容量
調整に加えて、蒸発効率を最大限にし、液体または過剰
に加熱された蒸気がコンプレッサーに侵入するのを防止
する上で、過熱調整も不可欠である。過熱調整は、コン
プレッサー速度またはファン速度の制御と無関係に、膨
張バルブの開口を調整するだけで行なわれている。
【００４７】原則的に容量調節および過熱調整は、従来
の単入力−単出力（ＳＩＳＯ）技術に基づいて試みてい
る。制御装置構造の制限、およびＳＩＳＯ方法論の枠内
でフィードバック利得を同調させるのが困難なために、
性能は限られている。さらにこれまで、コンプレッサー
速度および膨張バルブ開口だけを動力学調整用の活性制
御入力として処理している。コンプレッサー速度および
バルブ開口に加えて、２基の熱交換機におけるファンの
速度も効果的な入力であり、システム性能を改善するた
めに適切に制御すべきである。
【００４８】これらの各種始動入力と、蒸発温度、凝縮
温度、過熱、等の性能出力の間には強いクロスカップリ
ングがあることが分かる。直感により、バルブの開口、
ファン速度、およびコンプレッサー速度を適切に調整す
ることにより、システム容量を効率的に調整しながら、
外部の妨害に耐える上で、過熱挙動が大幅に改善される
ことが考えられる。事実、最新の多入力−多出力（ＭＩ
ＭＯ）制御技術をこの目的に即使用できる。
【００４９】この項では、前項で開発したダイナミック
モデルに基づき、蒸気圧縮サイクルを調整するための多
変数フィードバック制御設計を提供する。制御の目的
は、蒸気圧縮サイクルの過渡的挙動を、所望の過熱およ
び蒸発温度の調整に関して改良することである。特に、
従来のＳＩＳＯシステムの制御戦略を、ダイナミックモ
デルおよび実験に基づいて研究する。所望の過熱および
蒸発温度を制御するための、モデルに基づくＭＩＭＯ制
御設計を説明する。ＭＩＭＯ制御を家庭用空調装置でデ
ジタルで実行し、実験的にＳＩＳＯと比較する。
【００５０】３．２ 空調システムにおける伝統的な制
御方式の解析 これまで、空調システムにおける蒸気圧縮サイクルを調
整するための伝統的な制御方法の原理は、図６に示す様
に、コンプレッサー速度により屋内室温（または蒸発温
度Ｔe または冷却容量）を制御し、膨張バルブ開口によ
り過熱ＳＨを調整することである。ファン速度に関する
フィードバック制御は無い。屋内ファン速度はコンプレ
ッサー速度に比例し、屋外ファンは一定速度に維持され
ている。
【００５１】２つの制御ループが２個の独立したＳＩＳ
Ｏシステムとして処理され、それによって対角制御構造
（分散制御）になっているのに対し、設備動力学におけ
るクロスカップリングは完全に無視されている。ＳＨを
所望の範囲内に調整するためにバルブ過熱ループ内に比
例積分（ＰＩ）制御装置が使用され、一方、冷却モード
の際に屋内熱負荷に適合させるために、屋内室温は、コ
ンプレッサー速度に作用する比例方式により制御される
ことが多い。伝達関数マトリックスにおけるノン−ゼロ
オフ対角項により反映されるクロスカップリングを含む
システムに対しては、その様な独立したＳＩＳＯ制御は
決まってその性能に欠点をもたらす。
【００５２】サーモスタット膨張バルブにより制御され
る過熱は、ハンティング現象と呼ばれる、好ましくない
振動挙動を示すことがある。これは、我々がここに説明
するモデルにより明確に説明することができる。このモ
デルに基づく膨張バルブから過熱への伝達関数では、ｓ
−平面の右側に止まる非最小相ゼロが存在する。
【００５３】定常状態誤差を避けるためにモーター駆動
ニードル膨張バルブを使用する、過熱を制御するための
比例−積分−導関数（ＰＩＤ）制御装置が提案されてい
る。しかし、過熱とコンプレッサー速度の間には強いカ
ップリングがある。図７は、コンプレッサー速度の段階
的変化に対するバルブ制御ＳＨ（ＰＩ制御装置）の応答
を示す。移行過程は所望の定常状態に達するまでに長い
時間を要することが分かる。振動または大きなアンダー
シュートを引き起こさずに迅速な応答を得るための、Ｐ
ＩＤ制御装置パラメータを調節する方法は無い。
【００５４】図８は、バルブ開口の段階的変化に対する
コンプレッサー制御Ｐe （ＰＩ制御装置）の応答を示
す。移行過程は長く、好ましくないアンダーシュートを
有することが分かる。図７および８に示す様に、強いク
ロスカップリングの存在下でコンプレッサー速度とバル
ブ開口の間の調整が悪い場合、２つのループ間に好まし
くない干渉が生じることがある。
【００５５】蒸発温度Ｔe および過熱ＳＨを調整するた
めの従来の制御システムを図９に示す。２つの制御ルー
プがデカップリングしている。これら２つの制御ループ
間に強いクロスカップリングが存在するので、従来のＳ
ＩＳＯシステムの性能は非常に限られている。
【００５６】図１０Ａ−１０Ｄは、ＰＩ制御装置用の Z
igler-Nicoles 最適利得同調法に基づいて利得を同調さ
せる場合のＳＩＳＯ制御システムの性能を示す。図１０
Ａから１０Ｄで、制御の目的は、蒸発温度を８．５℃に
維持しながら、望ましい過熱を５℃から４℃の値に下げ
ることである。この制御システムは振動していることが
分かる。不安定な性能、つまり振動を避けるためには、
小さな利得を使用しなければならない。これによって一
般的に移行過程が遅くなる。
【００５７】３．３ 蒸気圧縮サイクルのモデルに基づ
くＭＩＭＯ制御 ３.３.１ 多変数制御設計法：インテグレータを含むＬ
ＯＧ 蒸気圧縮サイクルの移行経過をより効果的に制御するた
めに、モデルに基づく多変数制御を説明する。前の項で
開発した蒸気圧縮サイクルのダイナミックモデルに基づ
き、コンプレッサー速度および膨張バルブ開口の両方に
よりＴe （またはＰe ）およびＳＨを制御するための多
変数制御システムを設計する。図１１は、本発明のＭＩ
ＭＯ制御システムの回路図を示す。図１１のＭＩＭＯ制
御は、各信号制御入力を発生するために１つのフィード
バック信号を使用するデカップリングされたＳＩＳＯ制
御と異なり、両フィードバック信号を使用して２つの制
御入力を発生する。ＭＩＭＯ制御の設計にダイナミック
モデルを使用する場合、２つの単一ＳＩＳＯループ間の
クロスカップリングを考慮することができる。それによ
ってＭＩＭＯ制御は、２つのＳＩＳＯループが強くカッ
プリングされるので、デカップリングされたＳＩＳＯ制
御よりも性能が良くなる。
【００５８】ダイナミックモデルに基づき、蒸気圧縮サ
イクルを制御するための多変数制御装置を設計した。こ
の場合の制御の特別な目的は、コンプレッサー速度およ
び膨張バルブ開口の両方により、過熱および蒸発温度を
調整することである。ここで使用する多変数制御法は、
インテグレータを含む直線−二次ガウス（ＬＱＧ）制御
であるが、これは、このＭＩＭＯ制御が、出力誤差およ
び制御努力を折衷するコスト関数を最適化できるためで
ある。
【００５９】インテグレータを含むＬＱＧ多変数制御装
置を図１２に示す。これは、Kalmanフィルターを使用
し、測定に基づいて未測定状態変数を最適に推定し、そ
の最良の完全な状態フィードバックを使用して制御法則
を決定する、観察者に基づくコンペンセーターである。
最良の利得マトリックスｋおよびKalmanフィルターマト
リックスＬは、ダイナミックモデルのシステムマトリッ
クスＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄおよび直線二次エスティメーター用
のウエイティングマトリックスＱおよびＲに基づいて決
定する。
【００６０】ある運転点を中心にした蒸気圧縮サイクル
のダイナミックモデルは、状態空間形態で
【数２６】 ｙ ＝ Ｃｘ ＋ Ｄｕ （３５） （式中、ｘは状態変数であり、ｕは制御入力であり、ｙ
はシステム出力であり、Ｄ＝０である。
【００６１】最良のフィードバック利得マトリックスＫ
は、束縛等式
【数２７】 を条件として、フィードバック法則ｕ＝−Ｋｘがコスト
関数
【数２８】 を最少に抑える様に計算される。
【００６２】Kalmanフィルター利得マトリックスＬを得
るには、直線二次エスティメーター設計を考慮する。シ
ステムに対して、process moise および測定moise 共分
散を
【数２９】 ｙ ＝ Ｃｘ ＋ Ｄｕ ＋ ｖ （３８） として、 Ｅ{ｗ}＝Ｅ{ｖ}＝０、Ｅ{ｗｗ'}＝Ｑ、Ｅ{ｖｖ'}＝Ｒ、
Ｅ{ｗｖ'}＝０ 利得マトリックスＬは、固定Kalmanフィルター
【数３０】 が、測定出力ｙおよび状態等式に基づいて状態変数ｘの
直線二次ガウス最良推定を行なう様に得られる。
【００６３】利得マトリックスＫおよびＬが得られた
後、観察者に基づくコンペンセーターＬＱＧの伝達関数
は Ｃ（ｓ）＝ Ｋ(ｓＩ−Ａ＋ＢＫ＋ＬＣ)-1 Ｌ として表わすことができる。
【００６４】一般的に、ＬＱＧ制御は、設備自体がイン
テグレータを持たない場合、定常状態誤差を有する。し
たがって、動力学にインテグレータを持たない蒸気圧縮
サイクルに対しては、インテグレータを含むＬＱＧにイ
ンテグレータを含む必要がある。ダイナミックモデルに
基づいてインテグレータを含むＬＱＧを設計するには、
先ずモデルにインテグレータを含み、次いで状態を増加
し、インテグレータ変数を含む必要がある。すべての出
力、インテグレータ変数、および制御入力を、最適化す
べきコスト関数に含める。
【００６５】ｙの積分により、インテグレータ変数ｚが
生じる。
【数３１】 増大した状態は、
【数３２】 である。
【００６６】したがって、増大した状態等式は
【数３３】
【数３４】 である。
【００６７】増大したシステムに対する最良フィードバ
ック利得マトリックスは、増大したシステム状態等式の
束縛を条件として、フィードバック法則ｕ＝ −Ｋaｘa
ｕ ＝−Ｋaｘa がコスト関数
【数３５】 を最少に抑える様に得られる。
【００６８】最良フィードバック利得マトリックスＫa
が得られた後、制御法則は、２項の合計で表わされる。
【数３６】 蒸気圧縮サイクル用のＭＩＭＯ制御は、上記の手順に基
づいて設計することができる。
【００６９】３.３.２．デジタル実行および実験結果 プロセッサーおよびメモリーおよび他の関連する回路を
必要に応じて使用し、多変数制御をデジタル式に実行し
た。システムの主要時間定数に基づき、５秒間の試料採
取時間を選択した。したがって、制御入力（コンプレッ
サー速度および膨張バルブ）は、多変数制御法則および
過熱ＳＨおよび蒸発温度Ｔe のフィードバック信号に基
づいて発生させた。
【００７０】インテグレータを含むＬＱＧの設計では、
帯域幅周波数を０．１rad/sec に選択する。特定の運転
点を中心にした蒸気圧縮サイクルの支配的な周波数は、
約０．０５rad/sec である。図１３Ａ−１３Ｄは、それ
ぞれダイナミックモデル伝達関数、ループ伝達関数（制
御装置を含む）、閉ループ伝達関数および感度伝達関数
の単一値を示す。この設計は約０．１rad/sec 閉ループ
帯域幅を有し、約ω／０．１モデル誤差を許容でき、
０．０１rad/sec 未満の周波数に対してω／０．０４未
満の保証性能誤差を有する。
【００７１】ＭＩＭＯ制御およびＳＩＳＯ制御の能力に
したがう目標値を比較するために、ＳＩＳＯ制御利得を
最も良く同調させる。図１４Ａ−１４Ｄは、過熱値ＳＨ
を５℃に維持したまま、所望の蒸発温度Ｔe を８．５℃
から７℃に変化させた時の結果を示す。図１５Ａ−１５
Ｄは、所望の過熱値を５℃から４℃に変化させた時の結
果を示す。ＭＩＭＯ制御の方が目標値でＳＩＳＯ制御よ
りはるかに優れた性能を有することが分かる。ＳＩＳＯ
制御では定常状態に達するのに４〜６分間かかるが、Ｍ
ＩＭＯ制御は２〜３分間で定常状態に到達する。ダイナ
ミックモデルの使用および２つの制御入力の調整によ
り、ＭＩＭＯシステムにより制御される移行過程の方が
はるかに速い。
【００７２】ＭＩＭＯ制御およびＳＩＳＯ制御の両方に
対して妨害拒絶能力を試験した。妨害拒絶試験では、屋
内ファン速度を１０００rpm から１２００rpm に変化さ
せた後、所望の過熱および蒸発温度が同じである必要が
ある。図１６Ａ−１６Ｄはその比較結果を示す。ＭＩＭ
Ｏ制御は、前の項で予想した様に、ＳＩＳＯ制御よりも
はるかに優れた妨害拒絶能力を有することが分かる。
【００７３】高い制御利得およびモデル誤差の、ＭＩＭ
Ｏ制御の安定性および性能に対する影響を調べることは
重要である。制御設計に使用するダイナミックモデルに
はある一定水準の不確定性が存在するので、制御利得が
高過ぎると、モデル誤差およびアクチュエーター動力学
の、制御安定性に対する影響が拡大する。そのために、
閉ループ最大単一値が粗さの限度を超えることになる。
図１７Ａ−１７Ｄは、極度に高い利得をＭＩＭＯ制御設
計に使用すると、閉ループシステムの不安定化を引き起
こすことを示している。したがって、ＭＩＭＯ制御には
適当な制御利得を選択する必要がある。モデル誤差のＭ
ＩＭＯ制御安定性に対する影響も試験したが、蒸発熱伝
達係数または平均空隙画分が５０％変化しても、閉ルー
プシステムはなお非常に安定していることが分かった。
【００７４】３.３.３．利得予定方式を使用する、広範
囲にわたる蒸気圧縮サイクルの制御 ＭＩＭＯ制御に基づき、蒸気圧縮サイクルを広範囲にわ
たって制御することが望ましい。広範囲の運転条件にわ
たってシステムの非直線性が明らかになるので、利得予
定技術を使用して、制御法則を異なった運転範囲に適用
することが重要である。本発明のシステムにおける利得
予定１２１の使用を、図１の機能ブロックダイアグラム
に示す。設定点計算１１０の出力を、ライン１２３を経
由して利得予定モジュール１２１に送る。モジュール１
２１のプロセッサーが必要に応じて新しい利得を計算
し、所望のシステム運転点を維持する。図１８Ａ−１８
Ｄは、広範囲にわたる制御結果を示す。図１８Ａ−１８
Ｄにおける制御目的は、過熱を４．５℃に維持しなが
ら、所望の蒸発温度を７℃から１０℃に変化させる必要
があることである。図１８Ａ−１８Ｄから、コンプレッ
サー速度が約４０Hz変化しているのが分かるが、これは
運転範囲のほとんど５０％である。２つの運転点に対し
て２つのＭＩＭＯ制御法則を使用し、所望の蒸発温度お
よび過熱を効果的に制御した。ＭＩＭＯ制御はＳＩＳＯ
制御よりもはるかに速いことが分かる。この場合、ＭＩ
ＭＯシステムにより制御される移行過程は、ＳＩＳＯ制
御のそれよりもはるかに速いので、図１９Ａ−１９Ｂに
示す様に、ＣＯＰは大きく異なっている。ＭＩＭＯ制御
を使用することにより、はるかに速く望ましい容量に到
達することができる。
【００７５】当業者なら、通常の実験だけで、ここに具
体的に説明する本発明の実施態様と同等の多くの態様を
理解する、または確認することができる。その様な同等
の態様は請求項の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記の、および他の目的、特徴および利点を以
下に、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実
施態様により詳細に説明する。これらの図面全体を通し
て、同じ記号は同じ部品を指すものとする。図面は必ず
しも寸法通りではなく、本発明を説明する上で強調して
いる部分もある。
【図１】本発明の設定点最適化による蒸気圧縮システム
を図式的に示す機能ブロックダイアグラムである。
【図２】図１の蒸気圧縮サイクルの圧力−エンタルピー
ダイアグラムである。
【図３】図１の蒸気圧縮サイクルを図式的に示す詳細な
ブロックダイアグラムである。
【図４】本発明の設定点最適化方法の論理の流れを説明
するフローダイアグラムである。
【図５】蒸気圧縮サイクルの動的挙動に関連する入力変
数および状態変数を示すブロックダイアグラムである。
【図６】蒸気圧縮サイクルの制御に使用するデカップリ
ングされたＳＩＳＯ制御システムのブロックダイアグラ
ムである。
【図７】コンプレッサー速度の段階的変化に対するバル
ブ制御された過熱の応答を示すグラフである。
【図８】膨張バルブ開口の段階的変化に対するコンプレ
ッサー制御された蒸発圧の応答を示すグラフである。
【図９】蒸気圧縮サイクルで蒸発温度および過熱の制御
に使用されるデカップリングされたＳＩＳＯ制御システ
ムのブロックダイアグラムである。
【図１０】Ａ−ＤはZigler-Nicoles最良利得同調法に基
づいて利得を同調させる、ＳＩＳＯ制御システムの性能
を示す図である。
【図１１】本発明のＭＩＭＯ制御システムのブロックダ
イアグラムである。
【図１２】インテグレータを使用する、本発明のＬＱＧ
多変数制御装置のブロックダイアグラムである。
【図１３】Ａ−Ｄは、本発明のダイナミックモデル伝達
関数の単一値を示す図である。
【図１４】Ａ−Ｄは、本発明のＭＩＭＯ制御およびＳＩ
ＳＯ制御の能力にしたがう目標値を示す図である。
【図１５】Ａ−Ｄは、所望の過熱値が変化した場合の、
ＳＩＳＯ制御および本発明のＭＩＭＯ制御の比較を示す
図である。
【図１６】Ａ−Ｄは、ファン速度を変化させた場合の、
ＳＩＳＯ制御および本発明のＭＩＭＯ制御の妨害拒絶能
力を示す図である。
【図１７】Ａ−Ｄは、本発明のＭＩＭＯ制御システムに
おける高い制御利得の影響を示す図である。
【図１８】Ａ−Ｄは、所望の蒸発温度が変化した場合
の、利得予定を使用するシステム応答を示す図である。
【図１９】Ａ、Ｂは、ＳＩＳＯ制御および本発明のＭＩ
ＭＯ制御に関して、それぞれＣＯＰおよび容量を示すグ
ラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キアン−ドン ヘ アメリカ合衆国．02174 マサチューセッ ツ，アーリントン，サイチュエイト スト リート 22

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 蒸気圧縮システムで蒸気圧縮サイクルを
    制御する方法であって、 蒸気圧縮システムが作動している環境の条件を限定する
    環境入力を受け取る工程、 前記環境入力を使用し、蒸気圧縮システムのための定常
    状態運転条件を限定する一連のシステムパラメータを造
    り出す工程、 システムが作動している間、システムパラメータの測定
    値を受け取る工程、および前記測定値に基づき、蒸気圧
    縮システムの定常状態運転条件を更新するために新しい
    一連のシステムパラメータを造り出す工程を含んでなる
    ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 測定されるシステムパラメータが、蒸気
    圧縮システムの冷媒の温度である、請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 環境入力が屋内温度の測定値を含んでな
    る、請求項１の方法。
  4. 【請求項４】 環境入力が屋外温度の測定値を含んでな
    る、請求項１の方法。
  5. 【請求項５】 環境入力がシステム熱負荷の測定値を含
    んでなる、請求項１の方法。
  6. 【請求項６】 さらに、蒸気圧縮システムの実際の運転
    条件を限定された定常状態運転条件に維持するために、
    一連のシステムパラメータを調整する多変数制御装置を
    備えることを含んでなる、請求項１の方法。
  7. 【請求項７】 さらに、蒸気圧縮システムの実際の運転
    条件を限定された定常状態運転条件に維持するために、
    多変数制御装置の利得を調整することを含んでなる、請
    求項６の方法。
  8. 【請求項８】 蒸気圧縮サイクルを実行するための蒸気
    圧縮システムであって、 蒸気圧縮システムが作動している環境の条件を限定する
    環境入力を受け取り、前記環境入力に基づき、蒸気圧縮
    システムのための定常状態運転条件を限定する一連のシ
    ステムパラメータを造り出すプロセッサー、およびシス
    テムパラメータの測定値を発生し、前記測定値をプロセ
    ッサーに送るセンサーを含んでなり、前記プロセッサー
    が前記測定値を使用し、蒸気圧縮システムのための定常
    状態運転条件を更新するために新しい一連のシステムパ
    ラメータを造り出すことを特徴とする蒸気圧縮システ
    ム。
  9. 【請求項９】 センサーが蒸気圧縮システム中の冷媒の
    温度を測定する、請求項８の蒸気圧縮システム。
  10. 【請求項１０】 さらに、蒸気圧縮システムの実際の運
    転条件を限定された定常状態運転条件に維持するため
    に、一連のシステムパラメータを調整する多変数制御装
    置を含んでなる、請求項８の蒸気圧縮システム。
  11. 【請求項１１】 さらに、蒸気圧縮システムの実際の運
    転条件を限定された定常状態運転条件に維持するため
    に、多変数制御装置における利得を変える利得スケジュ
    ーラーを含んでなる請求項１０の蒸気圧縮システム。
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