CN104422134A - 燃气热水器及其控制方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气热水器及其控制方法和控制系统，所述控制系统包括设置在气源供气管路上的气源比例阀及控制气源比例阀开度的控制器，所述控制器与所述气源比例阀电连接，所述控制器包括产生所述气源比例阀控制信号的PWM信号产生电路，所述控制器还包括由选择性通断的至少两条电流调整支路并联构成的调流网络电路，所述至少两条电流调整支路的公共输入端与所述PWM信号产生电路的输出端电连接，所述至少两条电流调整支路的公共输出端与所述气源比例阀的控制信号输入端电连接。本发明通过设置电流调整网络电路，热水器可以自动适应热值不同的气源来达到燃烧性能的优化。

Description

燃气热水器及其控制方法和控制系统

技术领域

本发明属于热水器及其控制技术领域，具体地说，是涉及燃气热水器及其控制方法和控制系统。

背景技术

燃气热水器使用的天然气的主要成分是甲烷，还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等。由于地域不同，天然气中甲烷及其他气体的含量也不同，使得不同地区天然气的热值相差较大。热值不同，产生相同热量需要的燃气量不同，在燃烧过程中风量和燃气的配比也会有差异。而现有燃气热水器一般均是针对一种热值的气源设计控制方法，所以，如果气源热值发生变化，极容易出现出水温度过高或过低、中途熄火、燃气利用率低等问题，从而使得燃气热水器缺乏通用性。

针对不同地域燃气热值不同的情况，部分燃气热水器厂家推出地域专供的燃气热水器。地域专供燃气热水器虽然解决了不同地区燃气热值差异问题，但是，同一地区的燃气在不同时间、不同条件下也会发生热值的变化，此时，地域专供热水器也同样会存在热值变化带来的上述问题。而且，地域专供燃气热水器增加设计、生产、包装、运输过程中耗费的人力、物力、财力等成本，不符合节能降耗、降成本的发展趋势。

鉴于此，如何对燃气热水器进行燃烧控制，以使其能够自动适应具有不同热值的气源来达到燃烧性能最优，则是亟待解决的问题，也是本发明的研究主旨所在。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃气热水器的控制系统、控制方法及燃气热水器，使得热水器可以自动适应热值不同的气源来达到燃烧性能的优化。

为实现上述发明目的，本发明提供的控制系统采用下述技术方案予以实现：

一种燃气热水器的控制系统，包括设置在气源供气管路上的气源比例阀及控制气源比例阀开度的控制器，所述控制器与所述气源比例阀电连接，所述控制器包括产生所述气源比例阀控制信号的PWM信号产生电路，所述控制器还包括由选择性通断的至少两条电流调整支路并联构成的调流网络电路，所述至少两条电流调整支路的公共输入端与所述PWM信号产生电路的输出端电连接，所述至少两条电流调整支路的公共输出端与所述气源比例阀的控制信号输入端电连接。

优选的，所述至少两条电流调整支路为具有不同电阻值的电阻支路。

此外，本发明还提供了一种具有上述所述的控制系统的燃气热水器。

为实现前述发明目的，本发明提供的控制方法采用下述技术方案予以实现：

一种燃气热水器的控制方法，所述方法包括下述步骤：

a1、热水器点火工作；

a2、从至少两条选择性通断的电流调整支路中选定一条作为起始电流调整支路，控制PWM信号经该起始电流调整支路输出相应电信号控制气源比例阀的开度；

a3、采集热水器的当前PWM值、当前水流量、当前进水温度和当前出水温度，根据所述当前水流量、当前进水温度和当前出水温度计算当前气源燃烧热量                                                ；

a4、根据所述当前PWM值及所述起始电流调整支路对应的PWM-曲线计算当前气源气量；

a5、根据公式计算当前气源热值；

a6、根据气源热值与电流调整支路的对应关系选择与所述当前气源热值相对应的电流调整支路作为实际电流调整支路，控制PWM信号经该实际电流调整支路输出相应电信号控制气源比例阀的开度。

优选的，所述气源热值与电流调整支路的对应关系为热值与电流调整支路电参数的对应关系，且所述PWM-曲线及所述气源热值与电流调整支路电参数的对应关系为已知并预先存储起来的数据。

如上所述的方法，所述气源热值与电流调整支路电参数的对应关系采用下述步骤获得：

b1、热水器使用已知热值的气源点火燃烧；

b2、调整电流调整支路的电参数值，使得热水器按照最优燃烧曲线燃烧；

b3、在热水器按照最优燃烧曲线燃烧过程中，采集某时刻的PWM值、水流量、进水温度和出水温度，计算该时刻的气源燃烧热量；

b4、根据该时刻的气源燃烧热量及已知的气源热值计算该时刻的燃气量；

b5、根据该时刻的燃气量和该时刻的PWM值计算电流调整支路的电参数值，从而获得已知热值与电流调整支路电参数的对应关系。

优选的，所述电流调整支路为电阻支路，所述电阻支路的电参数为电阻支路的电阻值。

如上所述的方法，在所述步骤a6中，控制PWM信号经实际电流调整支路输出相应电信号控制气源比例阀的开度的同时，根据热水器的最优燃烧曲线控制风机风量，保证热水器以最优燃烧性能来工作。

如上所述的方法，为提高控制准确性、同时避免频繁判断而影响控制效率，在设定时间到达后，再次执行所述步骤a3至a6的过程，或者在热水器重启后，再次执行所述步骤a2至a6的过程。

如上所述的方法，在所述步骤a1之前还包括下述步骤：

a0、热水器开机，判断热水器的进水流量是否大于启动流量；在进水流量大于启动流量时，再执行所述步骤a1。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明通过在热水器的控制系统中增设多条选择性通断的电流调整支路，利用不同的电流调整支路改变控制气源比例阀的电流，进而控制比例阀的开度和燃气量，保证在气源热值不同的情况下、相同PWM值控制下所产生的燃烧热量相同，进而实现燃气热量与风机风量在最优配比下工作，提高了气源燃烧效率，有效避免了因燃气热量与风量不匹配而引起的熄火、水温不恒定等问题，提高了热水器的通用性。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明燃气热水器一个实施例的结构示意图；

图2是图1中控制器的部分电路结构框图；

图3是本发明燃气热水器的控制方法一个实施例的流程图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

首先，简要阐释本发明的设计出发点：

每一台燃气热水器都对应一条唯一的最优燃烧曲线，该曲线反映的是燃气燃烧热量与风机风量的配比关系。如果热水器按照最优燃烧曲线确定的燃烧热量与风机风量的配比燃烧，燃气效率最高，燃烧排放的废气含量最少。而燃气燃烧热量与燃气量及燃烧的热值有关，燃气量的大小取决于燃气比例阀开度的大小，而燃气比例阀开度又是通过PWM信号来控制的，所以，现有技术通常将最优燃烧曲线也看作是PWM值与风机风量的配比关系。而且，在热水器工作过程中，也是根据最优燃烧曲线来调整PWM值与风机风量的关系来实现燃烧最优的。在这种情况下，就会存在一个问题：现有燃气热水器控制系统中，PWM信号直接作为燃气比例阀的控制信号来使用，也即一个PWM值只能对应一个比例阀的开度。如果燃烧所用气源的热值不同，相同PWM值产生相同的比例阀控制电流，相同的控制电流获得相同的比例阀开度，产生相同的燃气气量，但相同的燃气气量所产生的燃烧热量不同。如果仍然按照最优燃烧曲线来调整PWM和风机风量，会使得相同PWM值下所产生的燃烧热量与风机风量偏离最优燃烧曲线，也即不能获得燃烧热量与风机风量的最佳配比。如果燃烧热量与风机风量不能按照最佳配比来工作，就会降低燃烧效率，增加废气排放量，甚至引起热水器熄火、出水温度不恒定等问题，影响用户的舒适性使用。

针对现有热水器的控制原理及控制过程中存在的上述问题，可以采用下述的处理方式：在气源热值不同时，改变气源气量，使得相同PWM值所产生的燃烧热量相同。气源气量的变化取决于气源比例阀开度的变化，而比例阀开度的变化又是由对比例阀进行控制的电流的大小来决定的。因此，可以考虑通过改变PWM值对应的输出电流的方式来实现。具体实现结构、原理及方法可参考附图及下面对各附图的描述。

请参考图1和图2，图1所示为本发明燃气热水器一个实施例的结构示意图，图2所示热水器中控制器的部分电路结构框图。

如图1所示，该实施例的燃气热水器包括有燃烧室9和控制器1，还包括有进水管路2、出水管路4及气源供气管路3。在进水管路2上设置有进水流量传感器5和进水温度传感器6，在气源供气管路3上设置有气源比例阀7，在出水管路4上设置有出水温度传感器8。其中，进水流量传感器5、进水温度传感器6、气源比例阀7及出水温度传感器8分别与控制器1电连接。该实施例中，除控制器1之外的其他结构与现有燃气热水器相同，功能也相同，在此不作具体阐述。下面将结合图2，着重描述该实施例的燃气热水器与现有燃气热水器的不同之处。

如图2所示，同时结合图1所示意，该实施例的燃气热水器与现有燃气热水器的不同之处在于构成热水器控制系统的控制器1的结构。如图2所示，该实施例热水器的控制器1中除了设置有PWM信号产生电路11，以用来产生对气源比例阀7进行控制的PWM信号之外，还设置有调流网络电路12。其中，调流网络电路12由n个可通过控制实现选择性通断的电流调整支路构成，分别为电流调整支路121、122、…、12n。n个电流调整支路并联连接，并联公共输入端A作为调流网络电路12的输入端，与PWM信号产生电路11的输出端电连接，而并联公共输出端B作为调流网络电路12的输出端，将与气源比例阀7的控制信号输入端电连接。

这里所说的各电流调整支路，是指可以在控制器1的主控电路（图中未示出）的控制下选择性导通和关断的电路结构；而且，PWM信号产生电路11所产生的PWM信号经不同的可控电流调整支路输出对气源比例阀7进行控制的电信号、即电流信号的幅值会不同。在该实施例中，各电流调整支路优选为具有不同电阻阻值的电阻支路，同一PWM信号经过不同电阻阻值电路后将产生不同的比例阀控制电流来对气源比例阀7进行控制。所以，通过导通不同的电阻支路，就可以实现在PWM信号产生电路11所产生的同一PWM信号下控制气源比例阀7具有不同的开度的目的，进而为热水器输送不同气量的气源。基本控制原则是：如果气源热值大，则需要减少气源气量，从而导通电阻阻值较大的电阻支路，以减少比例阀的控制电流，减小比例阀开度；反之，如果气源热值小，则需要增大气源气量，则导通电阻阻值较小的电阻支路，以增大比例阀的控制电流，增大比例阀开度。而且，采用电阻支路，对于不同热值的气源，不仅PWM信号变化区间相同，且控制过程中所使用的PWM-曲线是在方向上的平移，控制范围大，控制精确度高。

所以，在采用图2所示的控制器结构之后，结合运行在控制器1的主控电路中的软件程序，就能够实现热水器对不同热值气源的自适应，进而提高热水器对气源的通用性。

图3所示为本发明燃气热水器的控制方法一个实施例的流程图。该流程所体现的控制方法基于图1和图2所示结构的燃气热水器及其控制系统，且以软件程序形式运行于热水器的控制器1中。

如图3所示，该实施例对燃气热水器进行控制的方法流程如下：

步骤301：流程开始。

步骤302：热水器开机。

步骤303：判断热水器进水流量是否大于启动流量。若是，执行步骤304；否则，继续监测，直至进水流量大于启动流量。

设置该步骤的目的是在热水器点火工作之前先判断是否存在水流以及水流量是否大于启动流量，以避免因无水或水流量太小而发生干烧等安全事故。

步骤304：在进水流量大于启动流量时，控制热水器点火工作。

步骤305：选定起始电流调整支路，控制PWM信号经起始电流调整支路输出电信号控制气源比例阀的开度。

如图2所示，热水器控制系统中预先设置了至少两条选择性通断的电流调整支路，每条电流调整支路的电参数值已知、且已存储在控制器中。在热水器点火工作之后，从多条电流调整支路中选择一条作为起始电流调整支路，控制起始电流调整支路导通，其余电流调整支路关断，从而使得PWM信号产生电路所输出的PWM信号经起始电流调整支路后输出电信号至气源比例阀，进而控制气源比例阀的开度，实现对热水器燃烧室供气燃烧。

对于起始电流调整支路，可以是预先指定的一条固定支路，每次均选择该支路作为起始电流调整支路；也可以是随机选择的一条支路。

步骤306：采集当前水流量、当前进水温度和当前出水温度，计算当前气源燃烧热量；采集当前PWM值，根据PWM值和PWM-曲线计算当前气源气量。

在热水器按照起始电流调整支路工作一段时间之后，控制器通过设置在进水管路上的进水流量传感器采集热水器的当前水流量、通过设置在进水管路和出水管路上的温度传感器分别采集当前进水温度和当前出水温度。然后，根据当前水流量、当前进水温度和当前出水温度计算当前气源燃烧热量。例如，假设当前进水温度为t1、当前出水温度为t2、当前进水流量为M，则当前气源燃烧热量=M*（t2-t1）。

同时，采集当前PWM信号值，根据PWM值及起始电流调整支路对应的PWM-曲线计算当前气源气量。其中，PWM-曲线是PWM值与气源气量的对应关系曲线，反映的是PWM值与使用该PWM值控制燃气比例阀之后输入到热水器中的实际气源气量。如前所述，在同一PWM值下，导通不同电流调整支路，气源比例阀具有不同的开度，进而输出不同的气量。所以，对于电参数不同的多条电流调整支路，每条电流调整支路对应有一条PWM-曲线。而且，PWM-曲线可以通过检测方式获取，并将相应的数据预先存储到控制器中。PWM-曲线的获取过程是本领域技术人员能够获知的现有技术，在此不作更具体的阐述。

步骤307：计算当前气源热值。

在获得当前气源燃烧热量和当前气源气量之后，可以根据公式计算出当前气源热值。该当前气源热值即为当前气源的实际热值。

步骤308：选择与当前气源热值相对应的电流调整支路作为实际电流调整支路，控制PWM信号经实际电流调整支路输出电信号控制气源比例阀的开度。

在获得当前气源的实际热值之后，根据已知并预先存储起来的气源热值与电流调整支路的对应关系，选择与当前实际气源热值相对应的电流调整支路作为实际电流调整支路。然后，导通该实际电流调整支路，关断其他电流调整支路，使得PWM信号经该实际电流调整支路后输出电信号至气源比例阀，控制气源比例阀的开度。

其中，气源热值与电流调整支路的对应关系一般是指气源热值与电流调整支路电参数的对应关系，例如，电流调整支路为上述所述的电阻支路，则这种对应关系是指气源热值与电阻支路的电阻值的对应关系。通过获得合理的对应关系，能够保证在气源热值不同的情况下、相同PWM值控制下所产生的燃烧热量相同，进而有助于实现燃气热量与风机风量在最优配比下工作。

具体来说，气源热值与电流调整支路的对应关系可以采用下述方法来获得：

热水器使用已知热值的气源点火燃烧；

然后，调整PWM信号所经过的电流调整支路的电参数值，使得热水器按照最优燃烧曲线燃烧；

在热水器按照最优燃烧曲线燃烧过程中，采集某时刻的PWM值、水流量、进水温度和出水温度，按照上述步骤306中描述的方法计算该时刻的气源燃烧热量。

然后，将该时刻的气源燃烧热量除以已知的气源热值，从而计算出该时刻的燃气量。由于燃气量与燃气比例阀开度之间为一一对应的关系，而燃气比例阀开度又与PWM信号及电流调整支路的电参数有关，所以，根据该时刻的燃气量和PWM值，就可以计算出该时刻电流调整支路的电参数值。该时刻电流调整电路的电参数值是与已知气源热值一一对应的，从而获得了气源热值与电流调整支路的对应关系。

而且，由于气源热值与电流调整支路的对应关系是在热水器按照最优燃烧曲线燃烧过程中计算出来的，所以，在热水器燃烧过程中自动计算出当前实际的气源热值、根据实际气源热值选择相对应的实际电流调整支路输出燃气比例阀的控制信号来控制气量输出，因而，能够使得热水器自适应不同热值的气源、并根据最优燃烧曲线燃烧。

步骤309：根据最优燃烧曲线控制风机风量，控制热水器恒温出水。

经过上述的处理之后，用相同PWM值控制气源比例阀开度所产生的燃烧热量相同，因此，可以直接根据热水器的最优燃烧曲线控制风机风量及PWM值，控制热水器以设定出水温度恒温出水，且燃烧过程中燃烧效率最优。恒温出水控制过程可以采用现有技术中的PID算法来实现。

步骤310：热水器恒温出水。

步骤311：判断设定时间是否到达。若到达，转至步骤306；否则，执行步骤312。

同一地区用户家中所用的气源一般不会发生变化，但同一种气源在不同时间可能会发生变化，但这种情况的变化不会频繁发生，也即一个特定热值的气源会持续一段时间。为提高控制准确性、同时又避免频繁进行计算和选择所耗费的时间，该实施例采用每间隔一定设定时间执行一次热值计算和自适应的过程。因此，预设一个设定时间，在设定时间到达时，转至步骤306，重新进行热值计算和电流调整支路的自适应选择。

步骤312：判断热水器是否重启。若是，转至步骤303；否则，转至步骤310。

在热水器断电重启之后，需要再次从步骤303开始执行气源热值自适应的控制过程。如果热水器没有重启、设定时间也未到达，则控制热水器在最优燃烧曲线下燃烧并恒温出水。

需要说明的是，上述步骤311和步骤312的先后顺序仅是为了按步骤说明流程，实际工作过程中这两步的判断过程可以是同时的，也可以是先判断是否重启、再判断设定时间。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种燃气热水器的控制系统，包括设置在气源供气管路上的气源比例阀及控制气源比例阀开度的控制器，所述控制器与所述气源比例阀电连接，所述控制器包括产生所述气源比例阀控制信号的PWM信号产生电路，其特征在于，所述控制器还包括由选择性通断的至少两条电流调整支路并联构成的调流网络电路，所述至少两条电流调整支路的公共输入端与所述PWM信号产生电路的输出端电连接，所述至少两条电流调整支路的公共输出端与所述气源比例阀的控制信号输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述至少两条电流调整支路为具有不同电阻值的电阻支路。

3.一种燃气热水器，其特征在于，所述燃气热水器中具有上述权利要求1或2所述的控制系统。

4.一种燃气热水器的控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

a1、热水器点火工作；

a2、从至少两条选择性通断的电流调整支路中选定一条作为起始电流调整支路，控制PWM信号经该起始电流调整支路输出相应电信号控制气源比例阀的开度；

a3、采集热水器的当前PWM值、当前水流量、当前进水温度和当前出水温度，根据所述当前水流量、当前进水温度和当前出水温度计算当前气源燃烧热量                                                ；

a4、根据所述当前PWM值及所述起始电流调整支路对应的PWM-曲线计算当前气源气量；

a5、根据公式计算当前气源热值；

a6、根据气源热值与电流调整支路的对应关系选择与所述当前气源热值相对应的电流调整支路作为实际电流调整支路，控制PWM信号经该实际电流调整支路输出相应电信号控制气源比例阀的开度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述气源热值与电流调整支路的对应关系为热值与电流调整支路电参数的对应关系，且所述PWM-曲线及所述气源热值与电流调整支路电参数的对应关系为已知并预先存储起来的数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述气源热值与电流调整支路电参数的对应关系采用下述步骤获得：

b1、热水器使用已知热值的气源点火燃烧；

b2、调整电流调整支路的电参数值，使得热水器按照最优燃烧曲线燃烧；

b3、在热水器按照最优燃烧曲线燃烧过程中，采集某时刻的PWM值、水流量、进水温度和出水温度，计算该时刻的气源燃烧热量；

b4、根据该时刻的气源燃烧热量及已知的气源热值计算该时刻的燃气量；

b5、根据该时刻的燃气量和该时刻的PWM值计算电流调整支路的电参数值，从而获得已知热值与电流调整支路电参数的对应关系。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述电流调整支路为电阻支路，所述电阻支路的电参数为电阻支路的电阻值。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤a6中，控制PWM信号经实际电流调整支路输出相应电信号控制气源比例阀的开度的同时，根据热水器的最优燃烧曲线控制风机风量。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在设定时间到达后，再次执行所述步骤a3至a6的过程，或者在热水器重启后，再次执行所述步骤a2至a6的过程。

10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤a1之前还包括下述步骤：

a0、热水器开机，判断热水器的进水流量是否大于启动流量；在进水流量大于启动流量时，再执行所述步骤a1。