CN110530031A - 一种燃气热水器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气热水器控制方法，包括以下步骤：上电初始化步骤，检测出水的设定温度、水流量；恒温控制步骤，包括：周期性检测出水温度，计算设定温度与出水温度的差值，并根据设定温度与出水温度的差值的大小选择执行增量式PID闭环反馈恒温控制步骤或者前馈恒温控制步骤。本发明的燃气热水器控制方法，根据设定温度与出水温度的差值的大小选择执行增量式PID闭环反馈恒温控制或者前馈恒温控制，无需设置水泵进行水压波动的补偿或利用旁通水伺服器控制冷热水混合比例进行恒温控制，硬件成本低，提高了不同燃烧工况下的调节精度，可以避免超量调节。

Description

一种燃气热水器控制方法

技术领域

本发明涉及燃气热水器技术领域，具体地说，是涉及一种燃气热水器恒温控制方法。

背景技术

恒温燃气热水器的一个重要指标是要求能够按照用户设定的温度出水，也即保证出水温度恒定。随着社会经济的飞速发展，现有楼房普遍楼层较高，需要二次供水，从而导致用户用水水压不稳定。如果水压发生波动、水流量发生变化，或者进水温度及设定温度发生变化，为保证出水温度恒定，需要相应改变燃气热水器的燃气比例阀开度，从而改变燃气量和燃烧热能以适应上述变化。

现有燃气热水器对于智能恒温控制，多数在机型中采用水泵进行水压波动的补偿或利用旁通水伺服器控制冷热水混合比例进行恒温控制。该种控制方式需要设置水泵或旁通水伺服器等硬件，硬件成本高。

此外，现有燃气热水器的出水恒温控制一般使用PID闭环反馈控制，单片机根据用户设定的出水温度和出水温度传感器测量的实际出水温度值进行PID运算，调节燃气比例阀的工作电流，从而控制热水器的耗气量，达到控制出水温度的目的，该种控制方式具有滞后性，降低洗浴舒适性。

发明内容

本发明为了解决现有燃气热水器恒温控制硬件成本高以及调温具有滞后性的技术问题，提出了一种燃气热水器控制方法，可以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种燃气热水器控制方法，包括以下步骤：

上电初始化步骤，检测出水的设定温度、水流量；

恒温控制步骤，包括：周期性检测出水温度，计算设定温度与出水温度的差值，并根据设定温度与出水温度的差值的大小选择执行增量式PID闭环反馈恒温控制步骤或者前馈恒温控制步骤。

进一步的，所述增量式PID闭环反馈恒温控制步骤包括：

b1、根据设定温度与出水温度的差值计算出比例阀的开度调节量；

b2、按照比例阀的开度调节量调节比例阀的开度，所述比例阀为用于控制燃气进气量的阀门。

进一步的，步骤b1之前还包括：

b0、检测当前火力所处的档位以及当前水流量所处的档位，通过查找表查找出所对应的PID参数值；

步骤b1中根据所述PID参数值、设定温度与出水温度的差值计算比例阀的开度调节量。

进一步的，步骤b1中比例阀的开度调节量的计算方法为：

Δpwm(k)＝k_p[ΔT(k)-ΔT(k-1)]+k_i·ΔT(k)+k_d[ΔT(k)-2·ΔT(k-1)+ΔT(k-2)]

其中，Δpwm(k)为第k次调节时比例阀的开度调节量，k_p、k_i、k_d为PID参数值，ΔT(k)为第k次调节时设定温度与出水温度的差值，k为正整数。

进一步的，所述前馈恒温控制步骤包括：

c01、将设定温度与出水温度的差值与阈值T1相比较，若差值不大于阈值T1，则储存此时的水流量、比例阀开度分别作为系统稳态的基础水流量L₀和基础开度pwm₀，计算出基础开度pwm₀所对应的燃烧功率p₀，并执行步骤c02～c04，否则，执行基础值修正步骤，对基础水流量进行修正，直至满足设定温度与出水温度的差值不大于阈值T1；

c02、周期性检测水流量，根据当前水流量L_new、基础水流量L₀计算出当前水流量所需的燃烧功率；

c03、根据当前水流量所需的燃烧功率计算出其所对应的比例阀开度；

c04、根据步骤c03中所得到的比例阀开度调节比例阀；

其中，T1＞0。

进一步的，基础值修正步骤包括：

c11、根据当前比例阀开度计算出修正燃烧功率；

c12、根据修正燃烧功率计算出比例阀修正开度，并以此调节比例阀，再次检测出水温度并返回步骤c01。

进一步的，步骤c01中，基础开度pwm₀所对应的燃烧功率p₀计算方法为：

p₀＝cL₀ΔT，其中，c为水的比热，ΔT为设定温度与出水温度的差值。

进一步的，步骤c02中，当前水流量所需的燃烧功率计算方法为：

其中，p_new为当前水流量所需的燃烧功率。

进一步的，不同火力下比例阀开度pwm与燃烧功率之间的关系模型为：

其中，pwm_min为比例阀最小开度，a、b、d、e为常量系数；

步骤c03中，将当前水流量所需的燃烧功率代入与当前火力所对应的关系模型中计算比例阀开度。

进一步的，恒温控制步骤中，若设定温度与出水温度的差值大于阈值T0，执行增量式PID闭环反馈恒温控制步骤，否则执行前馈恒温控制步骤，其中，T0＞0。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的燃气热水器控制方法，根据设定温度与出水温度的差值的大小选择执行增量式PID闭环反馈恒温控制或者前馈恒温控制，无需设置水泵进行水压波动的补偿或利用旁通水伺服器控制冷热水混合比例进行恒温控制，硬件成本低，增量式PID闭环反馈控制通过求出增量，避免积分环节占用大量计算性能和存储空间，由于增量式PID控制每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时较PID闭环反馈控制影响范围小。通过基于水流量的前馈控制，大大降低了水压不稳对恒温效果的影响，实现了燃气热水器的智能恒温控制。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提出的燃气热水器控制方法的一种实施例流程简图；

图2是图1中恒温控制步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一，本实施例提出了一种燃气热水器控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

上电初始化步骤，检测出水的设定温度、水流量；

恒温控制步骤，包括：周期性检测出水温度，计算设定温度与出水温度的差值，并根据设定温度与出水温度的差值的大小选择执行增量式PID闭环反馈恒温控制步骤或者前馈恒温控制步骤。

本实施例中的燃气热水器，由用户对设定温度进行设置，若用户未进行设定，单片机中存储有默认的设定温度，用户对设定温度进行设置后，通过上位机和单片机串口通讯，发送设定温度至单片机，单片机通过接收设定温度(通讯数据)、出水温度(AD转换)、水流传感器(检测脉冲)、风机的信号(检测脉冲)，通过计算得出比例阀和风机的PWM(脉宽调制的占空比)控制比例阀的开度和风机的转速并发送出水温度、水流量、风机转速、比例阀PWM值至上位机进行监测。

上电初始化步骤中，当燃气热水器上电后，用户对设定温度进行设置，打开水阀，当水流量≥2.3L/min时，此时开始点火，检测到火焰后停止点火，开始进行恒温控制。

本实施例的燃气热水器控制方法，根据设定温度与出水温度的差值的大小选择执行增量式PID闭环反馈恒温控制或者前馈恒温控制，无需设置水泵进行水压波动的补偿或利用旁通水伺服器控制冷热水混合比例进行恒温控制，硬件成本低，增量式PID闭环反馈控制通过求出增量，避免积分环节占用大量计算性能和存储空间，由于增量式PID控制每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时较PID闭环反馈控制影响范围小。通过基于水流量的前馈控制，大大降低了水压不稳对恒温效果的影响，实现了燃气热水器的智能恒温控制，而且具有一定的预估性，避免了传统恒温调节的滞后性缺陷。

恒温控制步骤中，若设定温度与出水温度的差值大于阈值T0，执行增量式PID闭环反馈恒温控制步骤，否则执行前馈恒温控制步骤，其中，T0＞0。

通过设定温度与出水温度的差值的大小选择不同恒温控制步骤，提高了不同燃烧工况下的调节精度，可以避免超量调节，例如，T0可以设置为3℃。

作为一个优选的实施例，如图2所示，增量式PID闭环反馈恒温控制步骤包括：

b1、根据设定温度与出水温度的差值计算出比例阀的开度调节量；

b2、按照比例阀的开度调节量调节比例阀的开度，比例阀为用于控制燃气进气量的阀门。

本方法采用的计算出比例阀的开度调节量的方式，而并非计算比例阀的目标开度，避免了现有技术采用PID闭环反馈控制中计算比例阀的目标开度需要积分环节的累积计算，进而可以避免积分环节占用大量计算性能和存储空间；而且，由于增量式PID控制每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时较PID闭环反馈控制影响范围小。其中，本方法中所计算出比例阀的开度调节量可以是增量或者减量，例如可以采用正负值进行区分，正值为比例阀的开度所需要增加，负值为比例阀的开度需要减小，增加量或者减小量为所计算得到的变化量的绝对值。

步骤b1之前还包括：

b0、检测当前火力所处的档位以及当前水流量所处的档位，通过查找表查找出所对应的PID参数值；

步骤b1中根据所述PID参数值、设定温度与出水温度的差值计算比例阀的开度调节量。

对于具有多种火力档位的燃气热水器，通过分段调节更加精确，例如燃气热水器具有三种火力，将水流量以6L/min为界限分为两段，根据当前所处火力、所处哪段水流量，一共有六组PID参数。

具有多个火力档位的燃气热水器，通过单片机I/O口产生50HZ的脉冲或清0控制主阀、分段阀、分段阀1的开闭，主阀为控制燃气是否进入燃烧室的总开关，分段阀、分段阀1的开闭会改变火力；当分段阀打开，分段阀1关闭，此时为小火力；当分段阀关闭，分段阀1打开，此时为中火力；当分段阀与分段阀1全开为大火力。

步骤b1中比例阀的开度调节量的计算方法为：

Δpwm(k)＝k_p[ΔT(k)-ΔT(k-1)]+k_i·ΔT(k)+k_d[ΔT(k)-2·ΔT(k-1)+ΔT(k-2)]

其中，Δpwm(k)为第k次调节时比例阀的开度调节量，k_p、k_i、k_d为PID参数值，分别为：为PID比例、积分、微分参数，ΔT(k)为第k次调节时设定温度与出水温度的差值，k为正整数，同理的，ΔT(k-1)为第k-1次调节时设定温度与出水温度的差值，ΔT(k-2)为第k-2次调节时设定温度与出水温度的差值。

由以上可知，本实施例增量式PID计算不再进行积分计算，避免积分环节占用大量计算性能和存储空间；由于增量式PID控制每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时较PID闭环反馈控制影响范围小。

前馈恒温控制步骤包括：

c01、将设定温度与出水温度的差值与阈值T1相比较，若差值不大于阈值T1，则储存此时的水流量、比例阀开度分别作为系统稳态的基础水流量L₀和基础开度pwm₀，计算出基础开度pwm₀所对应的燃烧功率p₀，并执行步骤c02～c04，否则，执行基础值修正步骤，对基础水流量进行修正，直至满足设定温度与出水温度的差值不大于阈值T1；

c02、周期性检测水流量，根据当前水流量L_new、基础水流量L₀计算出当前水流量所需的燃烧功率；

c03、根据当前水流量所需的燃烧功率计算出其所对应的比例阀开度；

c04、根据步骤c03中所得到的比例阀开度调节比例阀；

其中，T1＞0。

例如，T1可以设定为1℃，将设定温度与出水温度的差值≤1℃时，说明出水温度与设定温度较接近，若水压稳定的情况下，保持当前比例阀开度可将设定温度与出水温度的差值控制在1℃以内，而实际使用过程中，水压是时刻变化的，因此，将设定温度与出水温度的差值≤1℃时对应的水流量、比例阀开度分别作为系统稳态的基础水流量L₀和基础开度pwm₀，并以此为基准，在水压发生变化时计算变化后水流量所需的燃烧功率，进而根据燃烧功率计算出所对应的比例阀开度并以此调节比例阀，本控制步骤以水流量作为自变量，并根据水流量的变化而调节阀开度，由于当通过前步调节将温差控制在1℃以内时，水压变化会造成温差变化，水压变化体现在水流量变化，因此本方法通过监控水流量变化进行调节比例阀，具有前馈性质，可以及时根据水压调节比例阀开度，避免水温发生忽高忽低大幅度波动，实现了恒温调节。

当设定温度与出水温度的差值超过阈值T1时，说明温差过大，此时没有处于稳态，也即基础水流量L₀和基础开度pwm₀不再合适，需要调节基础水流量L₀和基础开度pwm₀，以满足系统处于稳态。

基础值修正步骤包括：

c11、根据当前比例阀开度计算出修正燃烧功率；

c12、根据修正燃烧功率计算出比例阀修正开度，并以此调节比例阀，再次检测出水温度并返回步骤c01。

修正比例阀开度后，出水温度会发生相适应的变化，此时检测出水温度并返回步骤c01，再次判断设定温度与出水温度的差值与阈值T1之间的关系，若差值仍大于T1，则继续执行基础值修正步骤，直至满足差值不大于T1。

步骤c11中，通过以下公式计算修正燃烧功率p_x：

上述模型为不同火力下的修正模型，根据当前比例阀开度pwm确定所适用的函数公式，并计算出修正燃烧功率p_x。

步骤c01中，基础开度pwm₀所对应的燃烧功率p₀计算方法为：

p₀＝cL₀ΔT，其中，c为水的比热，ΔT为设定温度与出水温度的差值。

进一步的，步骤c02中，当前水流量所需的燃烧功率计算方法为：

其中，p_new为当前水流量所需的燃烧功率。

不同火力下比例阀开度pwm与燃烧功率之间的关系模型为：

其中，pwm_min为比例阀最小开度，a、b、d、e为常量系数；

步骤c03中，将当前水流量所需的燃烧功率代入与当前火力所对应的关系模型中计算比例阀开度。

步骤c12中，将修正燃烧功率p_x代入到上述不同火力下比例阀开度pwm与燃烧功率之间的关系模型中，可计算比例阀修正开度。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃气热水器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

上电初始化步骤，检测出水的设定温度、水流量；

恒温控制步骤，包括：周期性检测出水温度，计算设定温度与出水温度的差值，并根据设定温度与出水温度的差值的大小选择执行增量式PID闭环反馈恒温控制步骤或者前馈恒温控制步骤。

2.根据权利要求1所述的燃气热水器控制方法，其特征在于，所述增量式PID闭环反馈恒温控制步骤包括：

b1、根据设定温度与出水温度的差值计算出比例阀的开度调节量；

b2、按照比例阀的开度调节量调节比例阀的开度，所述比例阀为用于控制燃气进气量的阀门。

3.根据权利要求2所述的燃气热水器控制方法，其特征在于，步骤b1之前还包括：

b0、检测当前火力所处的档位以及当前水流量所处的档位，通过查找表查找出所对应的PID参数值；

步骤b1中根据所述PID参数值、设定温度与出水温度的差值计算比例阀的开度调节量。

4.根据权利要求3所述的燃气热水器控制方法，其特征在于，步骤b1中比例阀的开度调节量的计算方法为：

Δpwm(k)＝k_p[ΔT(k)-ΔT(k-1)]+k_i·ΔT(k)+k_d[ΔT(k)-2·ΔT(k-1)+ΔT(k-2)]

其中，Δpwm(k)为第k次调节时比例阀的开度调节量，k_p、k_i、k_d为PID参数值，ΔT(k)为第k次调节时设定温度与出水温度的差值，k为正整数。

5.根据权利要求1所述的燃气热水器控制方法，其特征在于，所述前馈恒温控制步骤包括：

c01、将设定温度与出水温度的差值与阈值T1相比较，若差值不大于阈值T1，则储存此时的水流量、比例阀开度分别作为系统稳态的基础水流量L₀和基础开度pwm₀，计算出基础开度pwm₀所对应的燃烧功率p₀，并执行步骤c02～c04，否则，执行基础值修正步骤，对基础水流量进行修正，直至满足设定温度与出水温度的差值不大于阈值T1；

c02、周期性检测水流量，根据当前水流量L_new、基础水流量L₀计算出当前水流量所需的燃烧功率；

c03、根据当前水流量所需的燃烧功率计算出其所对应的比例阀开度；

c04、根据步骤c03中所得到的比例阀开度调节比例阀；

其中，T1＞0。

6.根据权利要求5所述的燃气热水器控制方法，其特征在于，基础值修正步骤包括：

c11、根据当前比例阀开度计算出修正燃烧功率；

c12、根据修正燃烧功率计算出比例阀修正开度，并以此调节比例阀，再次检测出水温度并返回步骤c01。

7.根据权利要求5所述的燃气热水器控制方法，其特征在于，

步骤c01中，基础开度pwm₀所对应的燃烧功率p₀计算方法为：

p₀＝cL₀ΔT，其中，c为水的比热，ΔT为设定温度与出水温度的差值。

8.根据权利要求5所述的燃气热水器控制方法，其特征在于，

步骤c02中，当前水流量所需的燃烧功率计算方法为：

其中，p_new为当前水流量所需的燃烧功率。

9.根据权利要求5所述的燃气热水器控制方法，其特征在于，

不同火力下比例阀开度pwm与燃烧功率之间的关系模型为：

其中，pwm_min为比例阀最小开度，a、b、d、e为常量系数；

步骤c03中，将当前水流量所需的燃烧功率代入与当前火力所对应的关系模型中计算比例阀开度。

10.根据权利要求1-9任一项所述的燃气热水器控制方法，其特征在于，恒温控制步骤中，若设定温度与出水温度的差值大于阈值T0，执行增量式PID闭环反馈恒温控制步骤，否则执行前馈恒温控制步骤，其中，T0＞0。