JPH0343542B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明はガス燃焼給湯機等において、当該給湯
機の能力を合理的に利用しながら燃焼を図る燃焼
制御方法に関し、特に要求燃焼量の演算方法にお
ける改良に関する。

＜従来の技術＞ 昨今、ガス等を燃料とし、第２図に示されるよ
うな概念構成で表される給湯機が盛んに開発され
る傾向にある。

使用者が蛇口２を開くと、入力流路６から流れ
込んだ水はガスバーナ４により加熱される熱交換
器３にて加温され、湯となつて出湯流路７から当
該蛇口２を介し出力される。

これに際し、入力流路６の側では水量センサ８
にて水量（給水量または出湯量）S_wを、また給
水温センサ９により給水温T_cをそれぞれ検出し、
それら情報S_w、T_cを主制御回路としてのマイク
ロコンピユータ５に送り込む。ただし水量S_wは
出湯流路７の側で検出することもできる。

一方、熱交換器３から蛇口２に至る出力流路７
の途中にあつては、出湯温センサ１０により出湯
温T_pが検出され、これもマイクロコンピユータ
５に帰還される。

こうした各種センサ情報に加え、マイクロコン
ピユータ５に与えられるもう一つの情報は、使用
者が好みの温度を指定する設定温情報T_sである。

このような装置構成において、マイクロコンピ
ユータ５はそのときどきで最適な燃焼が行なわれ
るよう、空気量制御信号Saにより空気量調節器
１１を、またガス量制御信号Sgによりガス比例
弁１２を制御すべく、選択した制御方式に応じ、
当該そのときどきに必要な要求燃焼量Ｆを算出す
る。

しかるに従来、このための制御方式としてもつ
とも一般的なのは、特開昭55−75156号公報や特
開昭57−33749号公報等に開示のように、フイー
ドフオワード制御（FF制御）と比例制御（Ｐ制
御）を併用する方式であり、ためにこの場合、要
求燃焼量Ｆの算出式は、フイードフオワード量を
“F_F”とし、比例制御量を“F_P”とすると、次式
のようになつていた。

Ｆ＝F_F＋F_P＝（設定温T_s−給水温T_c）×水量S_w ＋（設定温T_s−出湯温T_p）×水量S_w …… ここにおいて特に、フイードフオワード量F_F
は給湯機の能力を越えることなく、かつまた当該
能力を最大限に発揮させるため、蛇口２の開度と
は独立に、水量バルブ制御信号S_iを介して水量バ
ルブ１を制御するにも用いられる。

これに対し、いわゆる比例、積分、微分制御
（PID制御）を取入れた方式も当然に考えられ、
その場合、要求燃焼量Ｆの演算式は、新たに積分
制御量を“F_I”、品分制御量を“F_D”とすると次
のようになる。

Ｆ＝F_P＋F_I＋F_D＝（設定温T_s−出湯温T_p）×水量S_w×K_P ＋Σ（設定温T_s−出湯温T_p）×K_I＋（前回の出湯温−
今回の出湯温）×K_D…… これに対し本出願人等の研究により、この種給
湯機の燃焼制御に採用すべき制御形式として最も
望ましいのではと考えられる方式があり、これは
フイードフオワード（FF）制御と比例（Ｐ）、積
分制御(I)を併用する方式である。

したがつてこのFF＋PI制御においては、上記
要求燃焼量Ｆの演算式は下式のように定義され
る。

Ｆ＝F_F＋F_P＋F_I＝（設定温T_s−給湯温T_c）×水量S_w ＋（設定温T_s−出湯温T_p）×水量S_w×K_p＋Σ（設定温
T_s−出湯温T_p）×K_I…… ＜発明が解決しようとする問題点＞ 静特性からだけするならば、上記各演算式〜
に即したいずれの制御方式を採用しても、共に
安定な出湯温T_pを得ることができる。

しかしまず、要求燃焼量の演算に上記、式
を用いる方式、つまりFF＋Ｐ制御、PID制御は、
上記の演算式に従うFF＋PI制御に比すと劣つ
た点がある。

FF＋Ｐ制御は残留偏差が大きく、出湯温T_pが
設定温T_sに対してどうしてもズレやすいという
欠点があるし、PID制御はその演算系が複雑にな
りがちで演算処理り時間が掛かり、この種の給湯
機用としての実効的な応答性に劣り、原理からす
る程には優れないという欠点がある。

これに対し、上記式に従つて要求燃焼量Ｆを
求めるFF＋PI制御は、上記のような欠点が程度
において最も少ない。

しかしそれでも当該動特性、すなわち過渡特性
においては不満が残り、出湯温T_pが設定温T_sに
至るまでの収束時間は未だ十分に短いとは決して
言えず、特に給湯機の最大能力をオーバした時や
最大能力近傍の燃焼から最小燃焼へ移行したた際
等において収束時間は相当長目になつていた。

本発明はこうした従来例の持つ欠点を全て解消
ないし緩和すべく、従来例の中でも比較的優れて
いると思われる上記式に従うFF＋PI制御にさ
らに改良を加えんとするものである。

＜問題点を解決するための手段＞ 本発明は上記目的を達成するため、要求燃焼量
の算出に工夫を凝らし、次のような構成の給湯機
用水量バルブ制御方法を提供する。

給水温、水量、出湯温を各検出するセンサを有
し、それら情報と使用者により設定される設定温
情報とから、フイードフオワード制御と比例、積
分制御とに基づき、そのときどきで要求される要
求燃焼量を演算する給湯機における燃焼制御方法
であつて； 上記フイードフオワード量を （設定温−給水温）×（水量）×（設定温−出湯温）×
α …… にて定義し、もつて上記要求燃焼量を （設定温−給水温）×（水量）×（設定温−出湯温）×
α ＋（設定温−出湯温）×（水量）×K_P＋Σ（設定温−
出湯温）×K_I…… により求めることを特徴とする給湯機における燃
焼制御方法。

＜作用および効果＞ 上記本発明の構成によれば、顕かなように、先
に挙げた従来のFF＋PI制御における要求燃焼量
演算式の中、フイードフオワード量F_Fを表す
第一項が改良され、上記式に示されるように、
当該従来のフイードフオワード量F_Fに対し、本
発明により求められるフイードフオワード量
F_F′は F_F′＝F_F（設定温−出湯温）×α
……′となつている。

したがつて、設定温が上がつたときは流量増大
により出湯温が下がつたときには、上記式また
は′式中、 （設定温−出湯温）×α …… なる補正積項の値は設定温と出湯温の差が大きく
なることから大きくなり、ために式で表される
要求燃焼量Ｆの値も過渡的に十分大きくなつて立
ち上がり特性が良くなり、同様に設定温が下がつ
た場合や流量減少により出湯温が上がつた際には
いち速く要求燃焼量Ｆが小さくなり、立ち下がり
特性も良好になる。

このように、本発明によつて要求燃焼量演算式
中、フイードフオワード量演算に （設定温−出湯温）×α …… なる補正積項が加味されたFF＋PI制御は、従来
のFF＋PI制御の特性をさらに改善する働きがあ
り、将来的に汎用されると思われるこの種給湯機
の制御方式として極めて望ましいものとなる。

また、一般に第２図中に示されている水量バル
ブ１の制御にはフイードフオワード量を用いる
が、これに際しても本発明により上記補正積項
を加味されたフイードフオワード量F_F′を採用す
れば、出湯温を上げる必要があるときにはいち速
く水量バルブを閉方向に動作させて速やかに出湯
量を絞つた後、出湯温に上がるにつれて逆に開方
向に動作させてから停止させ、全く同様に出湯温
を下げる必要のあるときには水量バルブを素早く
開方向に動作させて速やかに出湯量を増した後、
閉方向に動作させてから停止させることができ、
したがつて出湯温T_pの制御のみならず、出湯温
の制御も良好になし得、これによつてまた、出湯
温の立ち上がり、立ち下がり特性をさらに幇助
し、良好にすることができる。

なお、上記式中における選択定数項K_P、K_I
は、この種の自動制御系の常として、従来からも
設計的、実験的に設定されるものであつたが、こ
れと全く同様に、今般フイードフオワード量
F_F′の演算項に新たに追加された補正積項中、
定数αもまた、実験的、設計的に適当値に設定し
得るものである。

＜実施例＞ 第１図には本発明における既述の演算式に従
つて算出された要求燃焼量ＦによるFF＋PI制御
の動作例が示されている。

あらかじめ述べて置くと、第１図中の各過渡期
において、実線ａ，ｂ，ｃ，ｄで記された曲線は
本発明によつた場合を、仮想線ｅ，ｆ，ｇで記さ
れた曲線は式によりフイードフオワード量F_F
を求める従来のFF＋PI制御によつた場合を各示
している。

時刻T₁で示されるように、出湯量（水量）S_w
が零の状態から第２図に示される蛇口２が開か
れ、ある流量で急に流れ始めたような場合、あら
かじめ設定されている設定温T_sに出湯温T_pを持
つて行くに際し、本発明の制御方式が採用された
ものでは、既述したフイードフオワード量F_F′を
求める式の中、 （設定温−出湯温）×α …… なる補正積項の値が当該蛇口開放の当初、極めて
大きくなり、式にて求められる要求燃焼量Ｆの
値もこの項の影響で十分過渡的に大きくなるこ
とから、図中、実線ａで示されるように、そのと
きの設定温T_sのいかんによつては速やかに給湯
機の最大能力程度にまでもなり得、これに伴つて
出湯温T_pも曲線ｂで示されるように、ややオー
バシユート気味になる程素早く立ち上がつた後、
短い収束時間で設定温T_sに収束するようになる。

これに対し、本発明による補正積項を有さな
い従来方式では、仮想線ｅで示されるように、要
求燃焼量Ｆの過渡的な値もそれ程には大きくなり
得ず、したがつて仮想線の曲線ｆで示されるよう
に出湯温T_pの立ち上がりも悪く、また設定温T_s
への収束時間も長くなる。

さらに時刻T₂以降に示されるように、水量S_w
には変化がないが、使用者により設定温T_sが変
更された場合、本発明によれば同様に、上記補正
積項の値が過渡的に大きくなる（設定温T_sと出
湯温T_pの差がこの時点T₂で過渡的に大きくなる）
ことから、曲線ａ，ｂで示されるように、立ち上
がりが、急峻で収束時間の短い要求燃焼量Ｆの変
化と、これに伴う出湯温T_pの変化カーブが得ら
れるが、従来方式の場合には、曲線ｅ，ｆで示さ
れるように、積分項の影響をもろに受けて立ち上
がりも鈍く、設定温への収束時間も長いものとな
る。

こうした特性傾向は負方向においても全く同様
で、例えば時刻T₃で示されるように、使用者が
設定温T_sを急に低下させた場合、本発明の制御
方式によるとほぼ微分的な程、立ち下がりの鋭い
曲線ａが得られ、ために出湯温T_pも素早く応答
して短い収束時間で設定温T_sにまで低下するが、
従来方式によつた場合、曲線ｅ，ｆで示されるよ
うに、要求燃焼量Ｆの立ち下がりも鈍く、収束時
間も長くなるため、出湯温T_pが設定温T_sに低下
するまでの時間も長目になる。

一方、時刻T₄以降に示されるように、使用者
により蛇口２が細められ、水量S_wが低下した場
合等には、同様に要求燃焼量Ｆは俊敏に応答して
低下演算され、かつ短い収束時間で設定温T_sを
満足する要求燃焼量Ｆに収束するため、出湯温
T_pの方には温度レベル的にも時間的にも大きな
変化ないし変動は起こさないで済む。

対して従来方式によつた場合には、仮想線の曲
線ｆで示されるように、出湯温T_pの一時的な温
度変化幅が大きくなり、使用者をして不快感を与
えることになりがちである。

このように、本発明によれば、様々な過渡的な
変化に対し、全て敏捷に応答し得、あるいはまた
不快な温度変動を最小限に抑えることができる
が、これに加えて、本発明における演算式によ
り求められるフイードフオワード量F_F′を水量バ
ルブの制御にも用いれば、出湯量特性も向上する
ことができ、これがまた出湯温特性に寄与すると
いう、比喩的に言うと望ましい“正帰還現象”を
期待することができる。

例えば水量バルブの制御方法には、（）給湯
機の能力を中心に上下に所定の幅の所にしきい値
を定め、フイードフオワード量が下側しきい値を
下回つているときには水量バルブを開方向に動作
させ続け、逆に上側しきい値を上回つているとき
には閉方向に動作させ続ける一方、上下しきい値
間にフイードフオワード量が入つた場合には水量
バルブを停止させる“一定しきい値法”や、（）
フイードフオワード量の増加方向と減少方向とで
上記上下のしきい値を異ならせた“ヒステリシス
付き一定しきい値法”、（）下側しきい値と給湯
機能力との間では一定のデユーテイ比に従つて開
方向への動作指令と停止指令を交互に発し、上側
しきい値と給湯機能力の間では同じく一定のデユ
ーテイ比に従つて閉方向動作指令と停止指令とを
交互に発する“一定しきい値固定デユーテイ制御
法”等があり、さらに今般、別途出願するよう
に、新たに本出願人が開発した手法として、（）
デユーテイ制御領域に入つた場合にはそのときど
きのフイードフオワード量と給湯機能力の絶対値
差に応じてデユーテイ比を可変にするという“一
定しきい値可変デユーテイ制御法”もある。

特に、最後に述べた本出願人開示になる“一定
しきい値可変デユーテイ制御法”は、常に給湯機
の能力に極めて近い位置に水量バルブの開度を付
けることができ、また実際上、各しきい値および
給湯機能力近傍での流量変動に伴うフイードフオ
ワード量の変動に対しては、水量バルブが実質的
には電気機械要素であつてその応答速度に制限の
あることを利用し、自動的に不感帯を作ることが
できるため、既述した従来の他の水量バルブ制御
方法では起こりがちであつたハンチングのおそれ
等も回避し得る点等で優れている。

が、これらいずれの水量バルブ制御法によるに
しても、そのためのフイードフオワード量の演算
式として、本発明におけるフイードフオワード量
の演算式を用いると、その応答特性を向上する
ことができ、さらにその結果、出湯温特性も向上
することができる。

特に例えば、第１図中、先に説明した時刻T₂
におけるように、設定温T_sの変化に伴い要求燃
焼量Ｆの演算式中における補正積項の値が過
渡的に大きくなると、対応するフイードフオワー
ド量F_F′もこの瞬間、大きくなり、したがつて当
該フイードフオワード量F_F′により水量バルブが
制御される場合には、第１図中、記号ｃで示され
るように僅かな期間、水量バルブは閉方向に動作
され、したがつてその分、記号ｄで示されるよう
に出湯量の低減を生み、ために出湯温T_pの増加
を早める一方、当該出湯温T_pの増加にしたがつ
ての望ましい範囲内の若干オーバシユートに伴つ
ては逆に開方向に動作した後、停止指令を受けて
安定流量に入るという動作をなし得る。

これに対し、従来方式の演算によるフイードフ
オワード量F_Fに従つて制御される場合には、第
１図中、記号ｇで示される仮想線曲線のように、
出湯量の変化はなく、したがつてこの出湯温の変
化を利用して早目に設定温T_sにまで出湯温T_pを
引き込むという動作は期待できない。なお、この
実施例では、すでにこの種の給湯機において採用
されているように、各給湯機の最大能力を越える
要求燃焼量に対してはリミツタが掛かる場合を想
定しているが、もし仮に、このようなリミツタが
ない場合には、当該時刻T₂における要求燃焼量
に関する波形は、既述した演算式に従い、一点鎖
線で示す曲線a′のようになる。

以上、本発明につき説明したが、なお、先に作
用の項においても述べた通り、本発明により定義
される要求燃焼量Ｆの演算式中、それぞれの項
における定数項K_I、K_P、αは、設計的、実験的
に各々適当値に定め得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従つて構成された給湯機にお
ける燃焼制御方法の適用動作例の説明図、第２図
は本発明を適用可能な給湯機の概念的な説明図、
である。 図中、１は水量バルブ、２は蛇口、３は熱交換
器、４はガスバーナ、５はマイクロコンピユー
タ、８は水量センサ、９は給水温センサ、１０は
出湯温センサ、S_wは流量、T_sは設定温、T_cは給
水温、T_pは出湯温、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 給水温、水量、出湯温を各検出するセンサを
   有し、それら情報と使用者により設定される設定
   温情報とから、フイードフオワード制御と比例、
   積分制御とに基づき、そのときどきで要求される
   要求燃焼量を演算する給湯機における燃焼制御方
   法であつて； 上記フイードフオワード量を （設定温−給水温）×（水量）×（設定温−出湯温）×
   α にて定義し、もつて上記要求燃焼量を （設定温−給水温）×（水量）×（設定温−出湯温）×
   α ＋（設定温−出湯温）×（水量）×K_P＋Σ（設定温−
   出湯温）×K_I により求めることを特徴とする給湯機における燃
   焼制御方法。