JP2008181181A - 温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な過度特性を維持しつつ高速な目標温度応答速度を実現する。
【解決手段】水温制御処理を開始した時間ｔ０において、温度ＴＭＰが、目標温度ＴＧＴ+ΔＴを超える温度であった場合には、開度制御信号ＣＮＴを、バルブ５の開度を全開とする値ＣＮＴｍａｘに制御する。そして、時間ｔ０において、冷却水の温度が、目標温度ＴＧＴ+ΔＴまで低下したならば、開度制御信号ＣＮＴをＰＩＤ演算で求められたＣＮＴの値に制御さするＰＩＤ制御を開始する。ここで、このＰＩＤ制御の開始時には、ＰＩＤ演算の積分項Iの初期値を、最終的に温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴに安定した際にIが収束すると推定される値に設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、温度制御を行う技術に関するものである。

温度制御を行う技術としては、エンジンダイナモによって試験されるエンジンを冷却する冷却水の供給バルブの開度を、当該冷却水の温度に基づいて、当該冷却水温度が目標温度となるようにＰＩＤ制御によって温度制御する技術が知られている（たとえば、特許文献１）。
特開平09-145550号公報

ＰＩＤ制御による温度制御によれば、温度が目標温度に安定するまで速度である目標温度応答速度の最大値は、所望の過度特性による制限を受けることになる。すなわち、オーバーシュート量などを小さく抑えつつ実現できる応答速度には自ずと限界がある。
そこで、本発明は、良好な過度特性を維持しつつ、より高速な目標温度応答速度で温度制御を行うことのできる温度制御装置を提供することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、仕事を行う制御対象装置の温度を目標温度に制御する温度制御装置に、前記制御対象装置の温度を検出する温度検出手段と、
前記制御対象装置が行っている仕事の仕事率に関わる前記制御対象装置の状態を検出する状態検出手段と、前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、所定のしきい値以上である場合に、前記制御対象装置の温度を前記目標温度に近づける方向についての最大の制御量で、前記制御対象装置の温度を制御する第１温度制御部と、前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、前記しきい値未満である場合に、前記温度検出手段が検出した目標温度と測定温度との偏差と、前記偏差の積分値と、前記偏差の微分値とに応じた制御量で、前記制御対象装置の温度を制御するＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御部とを備え、前記ＰＩＤ制御部において、前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、前記しきい値未満となったときに、前記状態検出手段が検出している状態と前記目標温度との組み合わせにおいて、前記ＰＩＤ制御を行った場合に、前記制御対象装置の温度が目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束すると推定される値を、前記積分値の初期値に設定して、前記ＰＩＤ制御を開始するようにしたものである。

このような温度制御装置によれば、制御対象装置の温度が目標温度との偏差の絶対値が所定のしきい値未満となるまでは、前記制御対象装置の温度を前記目標温度に近づける方向についての最大の制御量で、前記制御対象装置の温度が制御されるので、制御対象装置の温度は目標温度に、可及的速やかに接近する。一方、制御対象装置の温度が目標温度との偏差の絶対値がしきい値未満まで到達した後は、ＰＩＤ制御によって、制御対象装置の温度が目標温度となるように制御されるが、このＰＩＤ制御の開始時に、ＰＩＤ制御に用いる積分値が、前記状態検出手段が検出している状態と前記目標温度との組み合わせにおいて、前記ＰＩＤ制御を行った場合に、前記制御対象装置の温度が目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束すると推定される値に設定されるので、制御対象装置の温度を、良好な過度特性をもって、速やかに目標温度に収束させることができるようになる。すなわち、制御装置の単体で見た場合の発熱量/吸熱量は、その仕事率に依存すると考えられるので、制御装置の仕事率と目標温度に対して、前記制御対象装置の温度が目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束する値は、一定の精度をもって、たとえば、予め行った実験結果などより推定することができる。そして、ＰＩＤ制御の開始時に、ＰＩＤ制御に用いる積分値をこのような推定値を設定するフィードフォワード制御を行うことにより、制御対象装置の温度は、良好な過度特性をもって、速やかに目標温度に収束するようになる。

ここで、このような温度制御装置は、より具体的には、前記制御対象装置の各状態と各温度との各組み合わせに対応する参照値が予め登録されたマップを設け、前記ＰＩＤ制御部において、前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、前記しきい値未満となったときに、前記状態検出手段が検出している状態と前記目標温度に一致する温度との組み合わせに対応して前記マップに登録されている参照値を、前記制御対象装置の温度が目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束すると推定される値として前記積分値の初期値に設定するように構成してもよい。ここで、前記マップに登録される参照値は、たとえば、前記制御対象装置の状態を、当該参照値に対応する組み合わせに含まれる前記制御対象装置の状態に制御しつつ、当該参照値に対応する組み合わせに含まれる温度を目標温度として、前記ＰＩＤ制御を行って求めた、前記制御対象装置の温度が目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束した値とする。

なお、このような温度制御装置は、たとえば、液冷されるエンジンの温度を目標温度に制御する温度制御装置として適用することができる。すなわち、この場合には、温度制御装置を、前記液冷に用いる冷却液の温度を検出する温度検出手段と、前記冷却液の前記エンジンへ供給される液量を調整するバルブと、前記エンジンの回転数と発生トルクとを検出する状態検出手段と、前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、所定のしきい値以上である場合に、前記目標温度が前記温度検出手段が検出した温度より小さいときには前記バルブの開度を最大値に制御し、前記目標温度が前記温度検出手段が検出した温度より大きいときには前記バルブの開度を最小値に制御する第１温度制御部と、前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、前記しきい値未満である場合に、前記温度検出手段が検出した目標温度と測定温度との偏差と、前記偏差の積分値と、前記偏差の微分値とに応じた制御量で、前記バルブの開度を制御するＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御部とより構成し、前記ＰＩＤ制御部において、前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、前記しきい値未満となったときに、前記状態検出手段が検出している回転数と発生トルクと前記目標温度との組み合わせにおいて、前記ＰＩＤ制御を行った場合に、前記冷却液の温度が前記目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束すると推定される値を、前記積分値の初期値に設定して、前記ＰＩＤ制御を開始するようにすればよい。

また、前記マップを用いる場合には、前記エンジンの各回転数と各発生トルクと各温度との各組み合わせに対応する参照値が予め登録されたマップを設け、前記ＰＩＤ制御部において、前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が前記しきい値未満となったときに、前記状態検出手段が検出している前記回転数と前記状態検出手段が検出している前記発生トルクと前記目標温度に一致する温度との組み合わせに対応して前記マップに登録されている参照値を、前記冷却液の温度が目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束すると推定される値として前記積分値の初期値に設定するようにする。ただし、前記マップに登録される参照値は、前記エンジンの回転数と発生トルクとを、当該参照値に対応する組み合わせに含まれる回転数と発生トルクに一致する回転数と発生トルクに制御しつつ、当該参照値に対応する組み合わせに含まれる温度を目標温度として、前記ＰＩＤ制御を行って求めた、前記冷却液の温度が目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束したとする。

以上のように、本発明によれば、良好な過度特性を維持しつつ、より高速な目標温度応答速度で温度制御を行うことができる。

以下、本発明の実施形態を、エンジン試験時におけるエンジンの冷却水の温度制御への適用を例にとり説明する。
図１に、本実施形態に係るエンジン試験システムの構成を示す。
図示するように、エンジン試験システムは、試験対象のエンジン１、エンジン１の出力軸にトルクＴＱを作用させるダイナモメータ２、エンジン１の回転数ＲＥＶを検出する回転センサ３、エンジン１に冷却水を供給する冷却装置４、エンジン１に供給される冷却水の水量を調整する、開度制御信号ＣＮＴによって開度が制御されるバルブ５、冷却水の温度ＴＭＰを検出する温度センサ６、温度制御装置７、エンジン１とダイナモメータ２の運転を制御する運転制御装置（図示を省略）を備えている。

また、温度制御装置７は、水温制御部７１と、複数のＩマップ７２と、操作部７３とを備えている。
次に、図２に温度制御装置７が備えるＩマップ７２の内容を示す。
図示するように、温度制御装置７は、目標温度ＴＧＴの複数の値毎に対応して設けられたＩマップ７２を備えている。また、各Ｉマップ７２には、回転数ＲＥＶとトルクＴＱとの各組み合わせに対応する参照値が予め登録されている。
ここで、目標温度ＴＧＴ=ＴＧＴｉに対応するＩマップ７２の、回転数ＲＥＶ=ＲＥＶｉとトルクＴＱ=ＴＱｉとの各組み合わせに対応する参照値は次のように求められる。
すなわち、エンジン１とダイナモメータ２とを、エンジン１が回転数がＲＥＶｉで、ダイナモメータ２がエンジン１の出力軸に作用させているトルクすなわちエンジン１の出力トルクがＴＱｉである状態で稼働するように運転させながら、目標温度ＴＧＴ=ＴＧＴｉとして、下記式（１）で示すＰＩＤ制御で開度制御信号ＣＮＴを操作して温度制御を行う。ただし、Ｋｐ、ＴＩ、ＴＤは予め固定的に定めたパラメータである。

そして、このＰＩＤ制御によって、温度センサ６で検出した温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴに安定したときのＩの値を、目標温度ＴＧＴ=ＴＧＴｉに対応するＩマップ７２の、回転数ＲＥＶ=ＲＥＶｉとトルクＴＱ=ＴＱｉとの各組み合わせに対応する参照値とする。すなわち、ＰＩＤ制御によって、図３ａに示すように、ｔ０からＰＩＤ制御を開始した後、温度ＴＭＰが時間ｔの経過と共に図示するように推移し、ｔｅの時点で、目標温度ＴＧＴに安定したならば、ＰＩＤ制御に用いられているその時点におけるＩの値を取得する。そして、取得したＩの値を、回転数ＲＥＶ=ＲＥＶｉとトルクＴＱ=ＴＱｉとの組み合わせに対応する参照値として、目標温度ＴＧＴ=ＴＧＴｉに対応するＩマップ７２に登録する。

そして、このような構成において、エンジン１の実際の試験実行時には、温度制御装置７の水温制御部７１は、以上のように予め用意されたＩマップ７２を用いながら、操作部７３を介してオペレータから指令された目標温度ＴＧＴと、回転センサ３が検出したエンジン１の回転数ＲＥＶと、エンジン１の出力トルクＴＱと、温度センサ６が検出した冷却水の温度ＴＭＰに応じて、バルブ５の開度を開度制御信号ＣＮＴによって制御することにより、エンジン１の温度制御を行う。

図４に、このような温度制御のために水温制御部７１が行う水温制御処理の手順を示す。ここで、この水温制御処理は、エンジン１の実際の試験実行時に起動され、その処理を実行する。
さて、図示するように、この処理では、まず、操作部７３を介してオペレータから指令されている目標温度ＴＧＴを取得する（ステップ４０２）。そして、温度センサ６から温度ＴＰを取得し（ステップ４０４）。温度ＴＭＰが、目標温度ＴＧＴ±ΔＴの範囲内にあるかどうかを調べる（ステップ４０６）。ΔＴは予め定めた温度であり、たとえば、３度である。

そして、温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴ±ΔＴの範囲内にあれば、ステップ４１６に進み、温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴ±ΔＴの範囲内になければ、温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴよりも大きいかどうかを調べる（ステップ４０８）。
次に、温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴよりも大きければ、温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴにΔｔ加えた温度を超えているので、開度制御信号ＣＮＴをバルブ５の開度を全開とする値ＣＮＴｍａｘに制御し（ステップ４２６）、冷却水の温度を可及的速やかに低下させる。一方、温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴよりも大きくなければ、温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴからΔｔを減じた温度未満であるので、開度制御信号ＣＮＴをバルブ５の開度を全閉とする値ＣＮＴｍｉｎに制御（ステップ４１２）、冷却水の温度を可及的速やかに上昇させる。

そして、温度センサ６から温度ＴＭＰを取得しながら、温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴ±ΔＴの範囲内となるのを待って（ステップ４１４）、ステップ４１６に進む。
そして、以上のようにして、温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴ±ΔＴの範囲内となったときに実行されるステップ４１６に進んだならば、回転センサ３から回転数ＲＥＶを取得すると共にダイナモメータ２からトルクＴＱを取得する（ステップ４１６）。そして、目標温度ＴＧＴに対応するＩマップ７２に、取得した回転数ＲＥＶとトルクＴＱの組み合わせに対して登録されている参照値を取得し、Iの初期値として設定する（ステップ４１８）。

そして、以降は、温度センサ６から温度ＴＭＰを取得し（ステップ４２０）、前掲した式１に従って開度制御値ＣＮＴを算出するＰＩＤ演算を行い（ステップ４２２）、ＰＩＤ演算結果に従って開度制御信号ＣＮＴを調整する（ステップ４２４）処理を繰り返すＰＩＤ制御を行う。
ここで、ステップ４２２における第１回目のＰＩＤ演算において、Ｉの算出は、初期値として設定されたＩに今回取得した温度ＴＭＰを用いて求まる、（１/ＴＩ）×（ＴＭＰ-ＴＧＴ）を加えることにより算出される。そして、第２回目以降のＰＩＤ演算おけるＩの算出は、前回算出したＩに今回取得した温度ＴＭＰを用いて求まる、（１/ＴＩ）×（ＴＭＰ-ＴＧＴ）を加えることにより算出される。

以上、水温制御処理について説明した。
このような水温制御処理によれば、たとえば、図３ｂに示すように、水温制御処理を開始した時間ｔ０において、温度ＴＭＰが、目標温度ＴＧＴ+ΔＴを超える温度であった場合には、開度制御信号ＣＮＴが、バルブ５の開度を全開とする値ＣＮＴｍａｘに制御される。そして、時間ｔ１において、冷却水の温度が、目標温度ＴＧＴ+ΔＴまで低下すると、開度制御信号ＣＮＴがＰＩＤ演算で求められたＣＮＴの値に制御されるＰＩＤ制御が開始され、時間teにおいて、温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴに到達し収束する。

ここで、このように、温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴ+ΔＴに達するまでは、バルブ５の開度が全開とされて冷却が行われるので、温度ＴＭＰは目標温度ＴＧＴ+ΔＴまで、可及的速やかに低下する。一方、温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴ+ΔＴに達した後は、ＰＩＤ制御によって、温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴとなるように制御されるが、このＰＩＤ制御の開始時に、式（１）で示したＰＩＤ演算のIの初期値が、Ｉマップ７２より求めた、最終的に温度ＴＭＰが目標温度ＴＧＴに安定した際にIが収束すると推定される値に設定されるので、温度ＴＭＰを、良好な過度特性をもって、速やかに目標温度ＴＧＴに収束することになる。

ところで、以上の実施形態は、エンジン試験システムの適用を例にとり説明したが、本実施形態で示した温度制御の技術は、仕事を行う任意の装置の温度制御に同様に適用することができる。すなわち、この場合には、Ｉマップ７２に、装置の発熱に関わる、仕事率などの装置の各種状態の組み合わせ毎に参照値を登録したＩマップ７２を用いて、図４に示した水温制御処理と同様の処理によって、当該装置の温度に応じて、当該装置の冷却を行う冷却システムの出力を制御すればよい。

本発明の実施形態に係るエンジン試験システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るＩマップの内容を示す図である。 本発明の実施形態に係る温度制御を示す図である。 本発明の実施形態に係る水温制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１…エンジン、２…ダイナモメータ、３…回転センサ、４…冷却装置、５…バルブ、６…温度センサ、７…温度制御装置、７１…水温制御部、７２…Ｉマップ、７３…操作部。

Claims (5)

1. 仕事を行う制御対象装置の温度を目標温度に制御する温度制御装置であって、
   前記制御対象装置の温度を検出する温度検出手段と、
   前記制御対象装置が行っている仕事の仕事率に関わる前記制御対象装置の状態を検出する状態検出手段と、
   前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、所定のしきい値以上である場合に、前記制御対象装置の温度を前記目標温度に近づける方向についての最大の制御量で、前記制御対象装置の温度を制御する第１温度制御部と、
   前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、前記しきい値未満である場合に、前記温度検出手段が検出した目標温度と測定温度との偏差と、前記偏差の積分値と、前記偏差の微分値とに応じた制御量で、前記制御対象装置の温度を制御するＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御部とを有し、
   前記ＰＩＤ制御部は、前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、前記しきい値未満となったときに、前記状態検出手段が検出している状態と前記目標温度との組み合わせにおいて、前記ＰＩＤ制御を行った場合に、前記制御対象装置の温度が目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束すると推定される値を、前記積分値の初期値に設定して、前記ＰＩＤ制御を開始することを特徴とする温度制御装置。
   
2. 請求項１記載の温度制御装置であって、
   前記制御対象装置の各状態と各温度との各組み合わせに対応する参照値が予め登録されたマップを有し、
   前記ＰＩＤ制御部は、前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、前記しきい値未満となったときに、前記状態検出手段が検出している状態と前記目標温度に一致する温度との組み合わせに対応して前記マップに登録されている参照値を、前記制御対象装置の温度が目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束すると推定される値として前記積分値の初期値に設定し、
   前記マップに登録される参照値は、前記制御対象装置の状態を、当該参照値に対応する組み合わせに含まれる前記制御対象装置の状態に制御しつつ、当該参照値に対応する組み合わせに含まれる温度を目標温度として、前記ＰＩＤ制御を行って求めた、前記制御対象装置の温度が目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束した値であることを特徴とする温度制御装置。
   
3. 液冷されるエンジンの温度を目標温度に制御する温度制御装置であって、
   前記液冷に用いる冷却液の温度を検出する温度検出手段と、
   前記冷却液の前記エンジンへ供給される液量を調整するバルブと、
   前記エンジンの回転数と発生トルクとを検出する状態検出手段と、
   前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、所定のしきい値以上である場合に、前記目標温度が前記温度検出手段が検出した温度より小さいときには前記バルブの開度を最大値に制御し、前記目標温度が前記温度検出手段が検出した温度より大きいときには前記バルブの開度を最小値に制御する第１温度制御部と、
   前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、前記しきい値未満である場合に、前記温度検出手段が検出した目標温度と測定温度との偏差と、前記偏差の積分値と、前記偏差の微分値とに応じた制御量で、前記バルブの開度を制御するＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御部とを有し、
   前記ＰＩＤ制御部は、前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、前記しきい値未満となったときに、前記状態検出手段が検出している回転数と発生トルクと前記目標温度との組み合わせにおいて、前記ＰＩＤ制御を行った場合に、前記冷却液の温度が前記目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束すると推定される値を、前記積分値の初期値に設定して、前記ＰＩＤ制御を開始することを特徴とする温度制御装置。
   
4. 請求項３記載の温度制御装置であって、
   前記エンジンの各回転数と各発生トルクと各温度との各組み合わせに対応する参照値が予め登録されたマップを有し、
   前記ＰＩＤ制御部は、前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が前記しきい値未満となったときに、前記状態検出手段が検出している前記回転数と前記状態検出手段が検出している前記発生トルクと前記目標温度に一致する温度との組み合わせに対応して前記マップに登録されている参照値を、前記冷却液の温度が目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束すると推定される値として前記積分値の初期値に設定し、
   前記マップに登録される参照値は、前記エンジンの回転数と発生トルクとを、当該参照値に対応する組み合わせに含まれる回転数と発生トルクに一致する回転数と発生トルクに制御しつつ、当該参照値に対応する組み合わせに含まれる温度を目標温度として、前記ＰＩＤ制御を行って求めた、前記冷却液の温度が目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束した値であることを特徴とする温度制御装置。
   
5. 仕事を行う制御対象装置の温度を目標温度に制御する温度制御方法であって、
   前記制御対象装置の温度を検出する温度検出ステップと、
   前記制御対象装置が行っている仕事の仕事率に関わる前記制御対象装置の状態を検出する状態検出ステップと、
   前記目標温度と前記検出した温度との偏差の絶対値が、所定のしきい値以上である場合に、前記制御対象装置の温度を前記目標温度に近づける方向についての最大の制御量で、前記制御対象装置の温度を制御する第１温度制御ステップと、
   前記目標温度と前記温度検出手段が検出した温度との偏差の絶対値が、前記しきい値未満である場合に、前記検出した目標温度と測定温度との偏差と、前記偏差の積分値と、前記偏差の微分値とに応じた制御量で、前記制御対象装置の温度を制御するＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御ステップとを有し、
   前記ＰＩＤ制御ステップにおいて、前記目標温度と前記検出した温度との偏差の絶対値が、前記しきい値未満となったときに、前記検出している状態と前記目標温度との組み合わせにおいて、前記ＰＩＤ制御を行った場合に、前記制御対象装置の温度が目標温度に一致する温度に安定したときに前記積分値が収束すると推定される値を、前記積分値の初期値に設定して、前記ＰＩＤ制御を開始することを特徴とする温度制御方法。