CN102278820A - 一种具有快速精确调温特性的恒温型燃气热水器控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有快速精确调温特性的恒温型燃气热水器控制系统及控制方法，其特征在于控制系统包括单片机、点火控制回路、火焰检测回路，风机转速控制回路、燃气主阀控制回路、燃气比例阀控制回路、水流脉冲信号输入回路、冷热水温度的水温信号输入回路、风机转速反馈回路，温度设定回路和温度显示回路等。其中水流脉冲信号输入回路、冷热水温度的水温信号输入回路和温度设定回路分别将水流量、进出水实际温度和设定温度实时输送给单片机；燃气主阀用于燃气通路的开闭控制、燃气比例阀实现燃气通路的双重关闭或流量调节和温度控制、风机控制回路可以通过控制电机的转速实现风量的调节功能。本发明的目的是为了克服现有的燃气热水器控制系统和方法不能同时兼顾调温精度和响应速度的不足，而提供的一种调温精度高，温度快速响应的控制系统和方法。

Description

一种具有快速精确调温特性的恒温型燃气热水器控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有快速精确调温特性的恒温型燃气热水器控制系统及控制方法，用于燃气快速热水器的快速精确温度调节。

背景技术

恒温型燃气热水器通常采用燃气比例阀实现火力调节和出热水温度稳定，其温度调节所需的燃气量一般采用PID控制，可以用硬件或者软件算法来实现。比如授权公告为CN2218341Y的公告书涉及一种采用硬件电路实现PID控制的水温调节控制方法，因为各元器件的规格是确定的，因此PID控制参数也是恒定不变的；而由普通的PID算法实现的控制方法，因为算法采用的各项系数也均为常量参数；根据PID调节的特性当控制参数为常量时通常无法兼顾温度控制精度和响应时间，一般对于快速响应的系统其温度的稳定性（控制精度）比较差，而温度控制精确高的系统其响应时间比较长。另外风机的控制则通常比较简单，只有单速或者双速控制，而没有与燃气比例阀实现全程同步调节。

发明内容

本发明的目的在于首先确保调温精度的前提下，缩短启动时出热水的响应时间，即具有快速响应的特点。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：控制系统包括单片机、点火控制回路、火焰检测回路，风机转速控制回路、燃气主阀控制回路、燃气比例阀控制回路、水流脉冲信号输入回路、用于冷热水的水温信号输入回路、风机转速反馈回路，温度设定/显示回路等。其中水流脉冲信号输入回路、水温度信号输入回路和温度设定回路分别将水流量、进出水实际温度和设定温度实时输送给单片机；燃气主阀用于燃气通路的开闭控制、燃气比例阀实现燃气通路的双重关闭或流量调节和温度控制、风机转速控制回路可以通过控制风机的转速实现风量的调节功能。

在燃气燃烧的火力调节范围内采用燃气比例阀和风机实现全程同步比例调节，所谓的全程同步比例调节是指对应燃气比例阀的整个可调节范围，风机与其全程对应的进行比例调节（不是单速或者多速调节，而是连续调节），即燃气比例阀开度与风机转速同步通过单片机发出的控制指令按比例变化，当燃气比例阀开度最大时风机转速最高，当燃气比例阀开度最小时风机转速最低。决定燃气比例阀开度和风机转速所采用的PID算法，不仅根据水流量大小、设定温度、和实际进水温度的变化确定PID调节参数，同时还根据水流量大小、设定温度和实际进水温度的差值，在不同的调节阶段和状态，采用快速动态记忆方法进行自学习得出动态变化的PID调节系数，以修正最终的PID调节参数，从而在确保温度控制精度的前提下提高快速相应的能力。所谓的自学习是指单片机程序内置了带有自学习功能的软件，在用户使用热水器的过程中软件按照事前设置的条件进行自学习并得到动态变化的PID调节系数，快速动态记忆方法是指程序以一定的时间片段为周期快速动态的方式将自学习的结果进行保存。上述所述的快速动态记忆方法和自学习技术是单片机运用程序领域的公知技术。本发明在燃气热水器领域首次提出了动态PID参数控制技术用于热水器温度控制，将单片机领域的上述技术应用到热水器的控制中，克服了热水器领域难以同时保证温度控制精度和响应速度的难题，极大的提升了热水器控制水平。

本发明采用对燃气比例阀与风机的全程同步比例调节，与现有技术相比具有明显的节能环保的特点。目前市场一般的燃气热水器在满负荷运转时能够达到比较高的热效率(如二级能效要求88%以上)，但是在中、低负荷状态下往往不能达到同样的热效率。采用全程同步比例调节可以突破这一技术难题，在全火力调节范围内确保满足同样的热效率要求。

本发明的核心技术是在火力调节过程中，用以调节燃气比例阀开度和风机转速的调节参数采用PID算法根据水流量大小、设定温度和实际温度的变化计算PID调节参数，同时还根据水流量大小、设定温度和进水温度的差值，在不同的调节阶段和状态，采用快速动态记忆方法进行自学习得出动态变化的PID调节系数，以修正最终的PID调节参数。修正的原则是在温差和（或）流量变化较大时PID调节系数强调快速性为主,在温差和（或）流量变化较小时PID调节系数强调稳定性为主。采用这样的调节方法可以克服普通PID调节系统本身特有的系统性滞后缺点，从而加快出热水的响应速度，给用户带来使用上的舒适享受。

采用本发明的燃气快速热水器，热水温度的控制调节性能优越，响应快速温度恒定，大大提高了产品的设计水平和档次。

附图说明

图1是本发明内容的控制系统模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

参见图1，在本发明内容的实施例中的控制系统，包括了常规燃气热水器控制系统的单片机、点火控制回路、火焰检测回路，风机转速控制回路、燃气主阀控制回路、燃气比例阀控制回路，温度设定/显示回路等，其中燃气主阀用于燃气通路的开闭控制、燃气比例阀实现燃气通路的双重关闭或流量调节和温度控制、风机转速控制回路可以通过控制风机的转速实现风量的调节功能；在上述常规的控制系统以外增加了水流脉冲信号输入回路、冷热水的水温信号输入回路、风机转速反馈回路等，其中水流脉冲信号输入回路将水流量转换成脉冲信号、冷热水的水温信号输入回路将温度信号转换成电压信号、风机转速反馈输入回路将风机转速转换成脉冲信号；单片机各输入端口将上述信号和设定温度一起转换成数据并保留在单片机内。在燃气热水器待机状态下，主控板的单片机程序以一定的周期确认外部各种传感器和其他的输入信号，当内部水流量达到点火流量以上时，控制电路先后启动风机、点火器并开启燃气主阀和燃气比例阀，经过火焰检测回路的反馈信号确认燃气点着后进入本发明所述的火力调整过程。火力调节过程以一定的时间片段为周期，每个周期开始先确认各传感器和其他的输入信号数据，根据实际水流量的大小、设定温度和进出水实际温度的差值变化计算PID调节参数，并按照前后周期的数据变化状态采用快速动态记忆的方式进行自学习得到动态变化的PID调节系数，以修正PID调节参数。例如，在点火完成以后的初期调温阶段，当进水温度较低并且水流量较大时，为了加快升温速度，PID调节系数以强调快速性为主；而在连续燃烧阶段当水流量小幅波动时，温差和流量变化较小，PID调节系数以强调稳定性为主。将修正后的PID调节参数转换为对应的燃气比例阀开度和风机转速，并在相应的火力调节周期内完成调节。在一个调节周期完成以后进入下一个调节周期，周而复始地进行火力调节。在整个燃烧过程中，无论是稳定燃烧期间还是火力可调节过程中，燃气比例阀开度和风机转速均呈同步比例调节关系，以燃烧所需要的合理的空燃比，达到最好的燃烧效率并释放出最大的热能。

本发明的控制系统还包括自诊断模块，该模块可以根据传感器反馈的数据对燃气热水器的运行状态进行自我诊断。一旦火力调节失效，造成出热水温度持续在高温状态（例如连续30sec以上高于75℃）时,其自带的温度保护模块自动进入保护状态，进行故障报警并自动停止燃烧。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有快速精确调温特性的恒温型燃气热水器控制方法，该热水器的控制系统包括单片机、风机转速控制回路、燃气主阀控制回路、燃气比例阀控制回路、冷热水温度水温信号输入回路、风机转速反馈回路，温度设定回路，其中燃气主阀用于燃气通路的开闭控制，燃气比例阀实现燃气通路的双重关闭、流量调节和温度控制，风机转速控制回路可以通过控制风机的转速实现风量的调节功能；其特征在于：

在燃气燃烧的可调火力范围内全程采用单片机PID控制，且燃气比例阀的开度和风机转速在PID控制下实现火力调节的全程同步比例调节，即燃气比例阀开度最大时风机转速最高，燃气比例阀开度最小时风机转速最低。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：该控制系统还包括点火控制回路、火焰检测回路、水流脉冲信号输入回路、温度显示回路、燃气主阀反馈回路和燃气比例阀反馈回路。

3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：所述PID控制采用软件算法实现。

4.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：所述PID控制的调节参数根据水流量、设定温度和进出水实际温度的差值变化确定，并通过快速动态记忆的方法自学习得到的动态变化的调节系数来修正。

5.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：所述PID控制的调节参数，在初期调温阶段当进水温度较低且水流量较大时，以强调快速性为主；在连续燃烧阶段温差和流量变化较小时，以强调稳定性为主。

6.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于：上述控制系统还带有一自诊断模块和温度保护模块，当自诊断模块检测到温度控制失效，造成出热水温度持续在高温状态时,该温度保护模块可以根据温度传感器反馈的数据对燃气热水器的运行状态进行故障报警并自动停止燃烧。

7.根据权利要求3或4所述的控制方法，其特征在于：上述控制系统还带有一自诊断模块和温度保护模块，当自诊断模块检测到温度控制失效，造成出热水温度持续在高温状态时,该温度保护模块可以根据温度传感器反馈的数据对燃气热水器的运行状态进行故障报警并自动停止燃烧。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述PID控制的调节参数，在初期调温阶段当进水温度较低且水流量较大时，以强调快速性为主；在连续燃烧阶段温差和流量变化较小时，以强调稳定性为主。

9.一种具有快速精确调温特性的恒温型燃气热水器控制系统，其用于实现权利要求1-8所述的控制方法。