JPH0424286Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （考案の分野） 本考案は、バーナへの燃料供給経路に介装した
燃料制御弁と、出湯温度についての目標温度設定
手段と、出湯温度検出手段と、前記目標温度設定
手段からの目標温度信号と前記出湯温度検出手段
からの検出温度信号との偏差に基づいて前記燃料
制御弁の開度を演算し前記燃料制御弁に弁駆動電
流を出力するPID（比例積分微分）制御手段とを
備えた給湯器の燃焼制御装置に関する。

（考案の概要） 本考案は、目標温度を急激に変化させたり、水
流変更の結果、出湯温度が急激に変化した場合な
どにおいて、前記PID制御手段におけるＩ（積分）
動作制御手段の積分動作を工夫することにより、
出湯温度の応答性を向上させるようにしたもので
ある。

（従来技術とその問題点） 従来から知られている給湯器の一例を第７図に
示す。

第７図において、１はバーナ、１ａはパイロツ
トバーナ、２はバーナ１およびパイロツトバーナ
１ａに連絡された燃料供給経路であり、燃料供給
経路２にはバーナ１への燃料供給を司る電磁弁
３、パイロツトバーナ１ａへの燃料供給を司る電
磁弁（元弁）３ａ、ガスガバナ４ならびに燃料制
御弁（比例弁）５が介装されている。バーナ１の
近傍には、点火プラグ６およびフレームロツド７
が配置されている。バーナ１の上方には燃焼室８
が設けられ、燃焼室８の上端から排気路９が連通
している。１０は排気路９に設けられたフアン１
１を駆動するフアンモータである。このフアンモ
ータ１０は、排気を司るとともに、バーナ１に燃
焼用空気を供給するものである。

１２は燃焼室８に内装された熱交換器であり、
この熱交換器１２の入口は、燃焼室８に内装され
た排熱回収器１３および燃焼室８を取り巻くコイ
ル管１４を介して給水管１５に連絡され、熱交換
器１２の出口は、出湯管１６を介してカランやシ
ヤワーなどの複数の出湯口１７に連絡されてい
る。前記の給水管１５から出湯口１７に至る経路
が給水経路１８を構成している。

給水経路１８における給水管１５には水流検出
手段としての水流スイツチ１９が介装され、出湯
管１６にはサーミスタなどの出湯温度検出手段２
０が介装されている。なお、２１は排気路９に介
装された風量検出手段である。

以下、この燃焼制御装置の動作を第８図のフロ
ーチヤートに基づいて説明する。

ステツプにおいて水流スイツチ１９がオンか
どうかを判断し、YESのときはステツプで燃
焼室８のプリパージを行う。このプリパージは、
フアンモータ１０を一時的に駆動することによつ
て行う。

ステツプで電磁弁３ａを開弁するとともに、
点火プラグ６をスパークさせてパイロツトバーナ
１ａに点火する。ステツプで電磁弁３を開弁
し、バーナ１を点火する。ステツプでフレーム
ロツド７による炎の検出があるかどうかを判断
し、YESのときはステツプに移行する。

ステツプで出湯温度検出手段２０からの検出
温度Tdを読み出し、ステツプで目標温度設定
手段（図示せず）からの目標温度Tsが読み出す。
ステツプで偏差e_o＝Ts−Tdを演算し、ステツ
プで偏差e_oに基づいてPID制御手段（図示せ
ず）がPID出力M_oを演算する。

ステツプでPID出力M_oに基づいて燃料制御
弁５の開度制御を実行し、ステツプ〓でPID出力
M_oに基づいた位相制御によりフアンモータ１０
の回転数制御を実行する。これによつて、出湯温
度を目標温度まで調整するとともに、空燃比を所
定範囲に維持する。

また、ステツプの炎検出の判断がNOのとき
は、ステツプ〓に移行してアラーム信号を出力す
る。

しかしながら、このような構成を有する従来例
には、次のような問題点がある。

(イ) 従来例においては、PID制御が計算式、 M_o（％）＝K_P・e_o＋M_Io ＋K_D（e_o−e_o-1） ＋M_p（％） ……(1) に基づいて行われている。式(1)において、M_oは
サンプリングタイミングt_oにおける燃料制御弁５
の開度制御のための操作量、e_oはタイミングt_oに
おける目標温度Tsと検出温度Tdとの偏差、即
ち、 e_o＝Ts−Td ……(2) また、第１項のK_P・e_oは比例項、K_Pは比例定
数、第２項のM_Ioは積分項で、 M_Io＝_o 〓ⁿ⁼⁰ K_I・e_o ＝M_Io-1＋K_I・e_o ……(3) であり、M_Io-1はタイミングt_o-1における操作量、
K_Iは積分定数である。第３項のK_D（e_o−e_o-1）は
微分項で、e_o-1はタイミングt_o-1における温度偏
差である。

また、M_pは操作量の初期値（基本操作量）で
あり、例えば50％程度に設定される。

式(1)に基づいたPID制御は、偏差e_oのサンプリ
ングに基づくフイードバツク制御であるため、目
標温度を急激に変化させた場合には、出湯温度が
目標温度に達するまでに比較的長い時間を必要と
する。

この点を第９図および第１０図のタイムチヤー
トに基づいて説明する。

(ロ) 〔昇温時〕第９図参照 図Ａのように時刻t₀以前において、出湯温度が
目標温度と一致し低温状態（30℃）で安定してい
るとする。このとき、PID出力も安定している。

時刻t₀において目標温度を急激に上昇させて60
℃に設定すると、微分項K_D（e_o−e_o-1）および比
例項K_P・e_oとが主として機能し、PID出力M_oが
急激に立ち上がる。

PID出力M_oの立ち上がりの頂点から時刻t₁まで
の間では主として微分項K_D（e_o−e_o-1）および積
分項、 _o 〓ⁿ⁼⁰ K_I・e_o が機能し、微分項が積分項よりも強く機能するた
め、PID出力M_oが徐々に減少し、時刻t₁において
下限に達する。

時刻t₁から時刻t₂の間は、積分項、 _o 〓ⁿ⁼⁰ K_I・e_o および比例項K_P・e_oが主として機能し、PID出力
M_oは徐々に上昇する。そして、時刻t₂以降は、
比例項K_P・e_oが主として機能し、PID出力M_oが
安定する。

以上のPID動作の結果、図Ｃのように出湯温度
が初期の30℃から目標温度の60℃までゆるやかに
上昇する。

このように、出湯温度が目標温度に達するまで
の時間T₁が長くかかり、出湯温度の応答速度が
遅いために、湯の使用者に不快感を与える。

(ハ) 〔降温時〕第１０図参照 例えば60℃から30℃へ降温する場合も、図示の
通り出湯温度の応答速度が遅く、湯の使用者に不
快感を与える。

以上のことは、水流変更の結果、出湯温度が急
減に変化した場合にも同様に当てはまる。

（考案の目的） 本考案は、このような事情に鑑みてなされたも
のであつて、目標温度を急激に変化させたり、水
流変更の結果、出湯温度が急激に変化した場合な
どにおいて、出湯温度の応答性を向上させ、湯の
使用者に不快感を与えないようにすることを目的
とする。

（考案の構成と効果） 本考案は、このような目的を達成するために、
次のような構成をとる。

即ち、本考案の給湯器の燃焼制御装置は、バー
ナへの燃料供給経路に介装した燃料制御弁と、出
湯温度についての目標温度設定手段と、出湯温度
検出手段と、前記目標温度設定手段からの目標温
度信号と前記出湯温度検出手段からの検出温度信
号との偏差に基づいて前記燃料制御弁の開度を演
算し前記燃料制御弁に弁駆動電流を出力するPID
制御手段とを備えた給湯器の燃焼制御装置におい
て、 前記PID制御手段におけるＩ動作制御手段の積
分データを記憶する記憶手段と、前記偏差が発生
したときに前記記憶手段から前記積分データを読
み出す読出手段と、このように読み出された積分
データと前記偏差に対応した係数とを乗算しその
演算データを前記PID制御手段に入力する演算手
段とを備え、前記PID制御手段におけるＩ動作制
御手段が前記演算手段における演算データに基づ
いてＩ動作を実行するように構成されたものであ
る。

以下、このような構成を採用した理由を説明す
る。

(イ) 本考案におけるPID制御の計算式の一例を示
すと、 M_o（％）＝K_P・e_o ＋｛K_P・e_o・M_Io-1＋K_I・e_o｝ ＋K_D（e_o−e_o-1） ＋M_p（％） ……(4) が挙げられる。式(4)において、M_Io-1は考案の構
成にいう「読出手段によつて記憶手段から読み出
された積分データ」に該当し、Ｋ・e_oは考案の構
成にいう「偏差e_oに対応した係数」に該当する。

この計算式(4)は、基本式(1)において、定常燃焼
状態では、タイミングt_o-1での偏差e_o-1が０であ
り、かつタイミングt_oでの偏差e_oも０であること
から、 M_o＝M_Io-1 ……(5) となることを利用したものである。即ち、定常燃
焼しているときの積分データM_Io-1を記憶手段に
記憶しておき、偏差e_oが発生したときに定常燃焼
状態の積分データM_Io-1を、偏差e_oの大きさに対
応して調整することにより、PID出力の応答性を
改善している。

式(4)を式(3)の _o 〓ⁿ⁼⁰ K_I・e_o＝M_Io-1＋K_I・e_o を用いて変形すると、燃料制御弁の開度制御のた
めの操作量M_oの計算式は、 M_o（％）＝K_P・e_o ＋｛（K_P・e_o）_o 〓ⁿ⁼⁰ （K_I・e_o） ＋K_I・e_o（１−Ｋ・e_o｝ ＋K_D（e_o−e_o-1） ＋M_p（％） ……(6) となる。

式(6)において、１−Ｋ・e_o＞０ 即ち、Ｋ・e_o＜１である。

式(6)において、｛ ｝でくくつた項は積分項で
あるが、そのうち実際に積分動作に寄与するのは
第１項であり、第２項は比例動作の桁上げ（e_oが
マイナスの場合は、桁下げ）を行うものである。

この桁上げ、桁下げによる作用を第４図および
第５図のタイムチヤートに基づいて説明する。

（） 〔昇温時〕第４図参照 図Ａのように時刻t₃において目標温度を30℃か
ら急激に上昇させて60℃に設定すると、微分項
K_D（e_o−e_o-1）、比例項K_P・e_oならびに積分項の第
２項であるK_I・e_o（１−Ｋ・e_o）が主として機能
し、PID出力M_oが急激に、かつ、１−Ｋ・e_o＞
０であることから、従来例よりも大きく立ち上が
る。

PID出力M_oの立ち上がりの頂点から時刻t₄まで
の間では主として微分項K_D（e_o−e_o-1）および積
分項の第１項である。

（Ｋ・e_o）_o 〓ⁿ⁼⁰ （K_I・e_o） が機能し、微分項が積分項よりも強く機能するた
め、PID出力M_oが徐々に減少し、時刻t₄において
下限に達する。

時刻t₄から時刻t₅の間は、積分項の第１項であ
る （Ｋ・e_o）_o 〓ⁿ⁼⁰ （K_I・e_o） が機能し、PID出力M_oは徐々に上昇し、Ｋ・e_o
＜１であることから、その変化率は従来例よりも
小さく、かつ、時刻t₄における下限値が従来例に
比べて相当に高いため、PID出力M_oが安定状態
に達するまでの時間（t₅−t₄）が従来例よりも大
幅に短縮される。

以上のPID動作の結果、図Ｃのように出湯温度
が初期の30℃から目標温度の60℃まで急速に上昇
する。

このように、出湯温度が目標温度に達するまで
の時間が従来例よりも短縮され、出湯温度の応答
速度が速くなる。

（） 〔降温時〕第５図参照 例えば60℃から30℃へ降温する場合も、図示の
通り出湯温度の応答速度が速くなる。

以上のことは、水流変更の結果、出湯温度が急
激に変化した場合にも同様に当てはまる。

以上のように、本考案によれば、目標温度を急
激に変化させたり、水流変更の結果、出湯温度が
急激に変化した場合などにおいて、前記PID制御
手段におけるＩ（積分）動作制御手段の積分動作
を適正なものにすることにより、出湯温度の応答
性を改善することができ、湯の使用者に不快感を
与えないですむという効果が発揮される。

（実施例の説明） 以下、本考案を図面に示す実施例に基づいて詳
細に説明する。

〈第１実施例〉 第１図は本考案の第１実施例に係る給湯器の燃
焼制御装置のブロツク回路図、第２図はメモリマ
ツプを示した図である。

〔構成〕

この燃焼制御装置は、第７図に示す給湯器に適
用しているが、他の同様な構成の給湯器にも適用
できることはいうまでもない。

第１図において、２０は出湯温度検出手段、２
２は出湯温度についての目標温度設定手段、２３
は、出湯温度検出手段２０からの検出温度信号ａ
と目標温度設定手段２２からの検出温度信号ｂと
の偏差信号ｃをつくりだす偏差検出部である。ま
た、２４は、偏差信号ｃに基づいてフアンモータ
１０の駆動電流の導通位相を演算してフアンモー
タ駆動手段２５に位相制御のためのトリガ信号ｄ
を出力するモータ回転数制御手段、２６は偏差信
号ｃおよび定常燃焼状態の積分データM_Io-1によ
る計算式(6)に基づいたPID演算により燃料制御弁
５の開度を算出し、その弁開度信号ｅを燃料制御
弁駆動手段２７に出力するPID制御手段である。

２８，２９，３０は、それぞれPID制御手段２
６におけるＰ（比例）動作制御手段、Ｉ（積分）動
作制御手段、Ｄ（微分）動作制御手段である。

３１は、PID制御手段２６におけるＩ動作制御
手段２９の積分データM_Io-1を記憶する記憶手段
である。この記憶手段３１には、第２図に示すよ
うに、積分データM_Io-1のほかに比例定数K_P、積
分定数K_I，微分定数K_D、積分データM_Io-1に乗算
するところの偏差e_oに対応した係数Ｋ・e_oのうち
の定数Ｋが予め記憶されている。

３２は、前記偏差信号ｃの値である偏差e_oの絶
対値が所定値以上かどうかを判別し、所定値以上
のときに制御信号ｆを出力する判別手段である。
３３は、偏差e_oが所定値以上であると判断された
ときに判別手段３２から出力される制御信号ｆに
基づいて動作し、記憶手段３１に記憶されている
前記のデータを読み出す読出手段である。

３４は、読出手段３３によつて記憶手段３１か
ら読み出された積分データM_Io-1と偏差e_oに対応
した係数Ｋ・e_oとを乗算し、その演算データＫ・
e_o・M_Io-1をPID制御手段２６に出力する演算手
段である。

PID制御手段２６のＩ動作制御手段２９は、演
算データＫ・e_o・M_Io-1に基づいて、計算式(4)の
積分項の演算を実行し、PID制御手段２６全体と
しては計算式(6)に基づいてPID出力M_oを燃料制
御弁駆動手段２７に出力するように構成されてい
る。

〔動作〕

このように構成された給湯器の燃料制御装置の
動作は、先に第４図および第５図に基づいて説明
した通りである。これを、第３図のフローチヤー
トに基づいて説明すると、ステツプで検出温度
データと目標温度データとを入力し、ステツプ
で１つ前のサンプリングタイミングt_o-1での目標
温度データ即ちPID出力M_o-1を読み出す。つい
で、ステツプで現在のサンプリングタイミング
t_oにおける積分データM_Ioが前回積分データM_Io-1
から所定量以上変化しているかどうかを判断し、
YESの場合はステツプに移行して演算データ
Ｋ・e_o・M_Io-1を作成する。そして、ステツプ
で式(6)に基づいて桁上げないしは桁下げしたPID
演算を実行する。

ステツプでNOの場合には、ステツプをジ
ヤンプしてステツプに移行し、通常のPID演算
を実行する。

前記の桁上げないしは桁下げしたPID演算によ
り、燃料制御弁５が目標温度に対応する開度まで
開弁するのに要する時間T₂が従来例の場合の時
間T₁に比べて大幅に短縮される。

一方、時刻T₃〜T₅の間において、モータ回転
数制御手段２４が偏差信号ｃに基づいてフアンモ
ータ１０の回転数を演算し、フアンモータ駆動手
段２５を位相制御する。その結果、フアンモータ
１０の回転数が増加し、時刻T₅において安定す
る。

従つて、燃料制御弁５の開度即ちバーナ１への
燃料供給量が、フアンモータ１０の回転数即ちバ
ーナ１への空気供給量に比例したものとなり、空
燃比が所定範囲に維持される。

〈第２実施例〉 次に、本考案の第２実施例をメモリマツプを示
した第６図に基づいて説明する。

即ち、記憶手段において、第１実施例の場合の
定数Ｋに代えて、偏差e_oの大きさおよび符号に対
応した定数K₁，K₂……K_nが記憶されている。そ
して、読出手段は、偏差e_oに応じた定数K_j（ｊは
１からｍまでの整数）を読み出して演算手段に出
力する。演算手段では、 M_o（％）＝K_P・e_o ＋｛K_j・M_Io-1＋K_I・e_o｝ ＋K_D（e_o−e_o-1） ……(7) に基づいたPID演算が実行される。

以上の２つの実施例から明らかなように、PID
演算の一般式は、Ｋ（e_o）を偏差e_oに対応した係
数（関数）とすると、 M_o（％）＝K_P・e_o ＋｛Ｋ（e_o）・M_Io-1＋K_I・e_o｝ ＋K_D（e_o−e_o-1） ……(8) で表すことができる。

即ち、第１実施例の場合は、 Ｋ（e_o）＝Ｋ・e_o であり、第２実施例の場合は、 Ｋ（e_o）＝K_j である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本考案の第１実施例の給
湯器の燃焼制御装置に係り、第１図は給湯器の燃
焼制御装置のブロツク回路図、第２図はメモリマ
ツプを示した図、第３図はフローチヤート、第４
図および第５図は動作説明のためのタイムチヤー
ト、第６図は第２実施例に係るメモリマツプ、第
７図ないし第１０図は従来例に係り、第７図は給
湯器の一例を示す概略断面図、第８図はフローチ
ヤート、第９図および第１０図は動作説明のため
のタイムチヤートである。 図中、符号１はバーナ、２は燃料供給経路、５
は燃料制御弁、２０は出湯温度検出手段、２２は
目標温度設定手段、２６はPID制御手段、２９は
Ｉ動作制御手段、３１は記憶手段、３３は読出手
段、３４は演算手段である。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 バーナへの燃料供給経路に介装した燃料制御弁
   と、出湯温度についての目標温度設定手段と、出
   湯温度検出手段と、前記目標温度設定手段からの
   目標温度信号と前記出湯温度検出手段からの検出
   温度信号との偏差に基づいて前記燃料制御弁の開
   度を演算し前記燃料制御弁に弁駆動電流を出力す
   るPID制御手段とを備えた給湯器の燃焼制御装置
   において、 前記PID制御手段におけるＩ動作制御手段の積
   分データを記憶する記憶手段と、前記偏差が発生
   したときに前記記憶手段から前記積分データを読
   み出す読出手段と、このように読み出された積分
   データと前記偏差に対応した係数とを乗算しその
   演算データを前記PID制御手段に入力する演算手
   段とを備え、前記PID制御手段におけるＩ動作制
   御手段が前記演算手段における演算データに基づ
   いてＩ動作を実行するように構成されている給湯
   器の燃焼制御装置。