CN111189231A - 燃气热水器恒温控制方法及燃气热水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气热水器恒温控制方法及燃气热水器，所述方法包括：误差计算步骤：计算温度误差，并将温度误差作为输入量分别输入至专家控制器和PID控制器；PID参数计算步骤：专家控制器根据输入的温度误差计算出PID的控制参数，PID控制器据此参数进行设置；控制量输出步骤：PID控制器根据所输入的温度误差，计算出燃气阀门控制量并输出。本发明的燃气热水器恒温控制方法，首先将温度误差输入专家控制器，专家控制器根据控制器中的知识\规则库和其推理机构共同作用得到PID参数，然后将参数作用到PID控制器上调节控制器的目的，不同的误差，能够得到不同的PID参数，从而能够获取不同的PID控制量，能够得到一个较优的控制结果。

Description

燃气热水器恒温控制方法及燃气热水器

技术领域

本发明涉及热水器技术领域，具体地说，是涉及一种燃气热水器恒温控制方法及燃气热水器。

背景技术

由于燃气热水器恒温控制系统中的水流速度和水管的长度，在实际应用中，水流的速度和水管长度导致在开始加热后水温的变化不能立即的在出水口即温度传感器上表现出来，而是需要一段时间后才能体现；这就是燃气热水器恒温控制系统中一个导致滞后的因素。其中滞后的时间将会对恒温控制系统产生不利的影响。

现在燃气热水器恒温控制系统的控制器主要采用了PID控制算法，由于没有对燃气热水器控制模型的推导，其主要通过对实机进行不断的调试，从而调整PID算法中的比例、积分、微分这三个参数；最后使控制算法在最合适的参数下完成恒温控制并最终观察各个控制结果。在实际控制中PID控制器根据检测到的输出温度跟设定温度的误差来控制输出量，不断消除两者之间的静态和动态误差使其达到恒温。

现有控制方式存在以下缺点：

1、调试成本高；在纯PID控制情况下，算法调试人员对热水器的控制模型没有必要要求，所以其也不是很了解这个控制对象模型；主要的调试手段就是不断的进行试凑，通过这种方法来找到最优的参数。其可能需要大量的人力和时间。

2、控制反应速度慢；在纯PID控制下，当误差较大时没有自动调节参数的手段，系统的反应速度慢，在刚开始的升温阶段需要较长时间才能达到恒温；在恒温下若来自外部的扰动则其又会被干扰到，而再需要较长时间才能达到恒温；其恒温的速度明显的慢。

3、控制效果差；在纯PID控制下，整个系统没有预估的效果，对系统的滞后性没有充分的考虑到，此便会导致系统的外部扰动在延迟一段时间才会在控制系统中得到体现，从而导致控制效果变差。

发明内容

本发明为了解决现有燃气热水器恒温控制采用PID控制算法存在调试时间长、对水温变化反应速度慢的技术问题，提出了一种燃气热水器恒温控制方法，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：

一种燃气热水器恒温控制方法，包括以下步骤：

误差计算步骤：计算温度误差，并将温度误差作为输入量分别输入至专家控制器和PID控制器；

PID参数计算步骤：所述专家控制器根据输入的温度误差计算出PID的控制参数，所述PID控制器据此参数进行设置；

控制量输出步骤：所述PID控制器根据所输入的温度误差，计算出燃气阀门控制量并输出。

进一步的，误差计算步骤中还包括对温度误差进行预估补偿。

进一步的，还包括计算预估温度误差的步骤，根据燃气阀门控制量计算出该控制量所对应的温度值Tg，预估温度误差为温度值Tg与设定温度值Ts之间的差值；

误差计算步骤中，温度误差由实际温度误差与预估温度误差进行计算得到；

实际温度误差为实际采集到的当前温度值与设定温度之间的差值。

进一步的，温度误差=实际温度误差+预估温度误差。

进一步的，采用Smith预估控制器、最小拍控制算法、有纹波最小拍控制算法、无纹波最小拍控制算法、大林控制算法中的任一种计算预估温度误差。

进一步的，PID参数计算步骤中，PID的控制参数至少包括PID控制器的比例、积分、微分三个参数。

进一步的，所述专家控制器计算出PID的控制参数的方法为：根据输入的温度误差，以及前次输入的温度误差、再前次输入的温度误差，跟已有的程序中的知识/规则库进行推理，得到PID控制器的比例、积分、微分三个环节的参数。

进一步的，所述燃气阀门控制量以PWM波形的方式输出。

进一步的，还包括设定采样时间的步骤，按照所设定的采样时间采集当前温度值，并执行所述的恒温控制。

本发明同时提出了一种燃气热水器，该燃气热水器按照前面任一条所记载的燃气热水器恒温控制方法执行恒温控制。

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恒温控制方法，首先将温度误差输入专家控制器，专家控制器根据控制器中的知识\规则库和其推理机构共同作用得到PID参数，然后将参数作用到PID控制器上调节控制器的目的，不同的误差，能够得到不同的PID参数，从而能够获取不同的PID控制量，能够得到一个较优的控制结果。

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是本发明所提出的的燃气热水器恒温控制方法一种实施例中的控制系统方框图；

图2是本发明所提出的的燃气热水器恒温控制方法一种实施例的流出图。

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，燃气热水器是一个多输入单输出的系统，输入物理量有：冷水温度，冷水流量，可燃气体流量等；输出物理量有：热水温度。根据能量守恒定律、能量交换效率、水流量等可以推导出热水器模型为带滞后的一阶惯性系统。燃气热水器恒温控制系统中导致滞后的主要是水管的长度和水流的速度两者共同作用导致的。目前燃气热水器恒温控制采用PID控制算法存在调试时间长、对水温变化反应速度慢的技术问题，本实施例提出了一种燃气热水器恒温控制方法，如图1、图2所示，至少采用专家控制器以及PID控制器相结合，缩短调试时间和提高反应速度，本恒温控制方法包括以下步骤：

误差计算步骤：计算温度误差，并将温度误差作为输入量分别输入至专家控制器和PID控制器；

PID参数计算步骤：所述专家控制器根据输入的温度误差计算出PID的控制参数，所述PID控制器据此参数进行设置；

控制量输出步骤：所述PID控制器根据所输入的温度误差，计算出燃气阀门控制量并输出。

将从专家控制器得到的PID控制器参数值设到PID控制器对应的位置中，使PID能够按照最优的控制参数进行运算。

PID控制器的输出值即为整个控制器的控制量，此控制量可以理解为燃气比例阀的开度，不同的开度对应不同的出气量即不同的加热温度。

本实施例的燃气热水器恒温控制方法，首先将温度误差输入专家控制器，专家控制器根据控制器中的知识\规则库和其推理机构共同作用得到PID参数，然后将参数作用到PID控制器上调节控制器的目的，不同的误差，能够得到不同的PID参数，从而能够获取不同的PID控制量，能够得到一个较优的控制结果。本方案是单输入单输出的控制器，输入温度误差，输出控制量，整个控制器根据温度误差的大小调节控制量的大小；其是整个恒温控制系统中最重要的部分。

PID参数计算步骤中，PID的控制参数至少包括PID控制器的比例、积分、微分三个参数，专家控制器的输出也即该三个参数。

专家控制器将输入的温度误差和专家控制器中已有的规则\知识库进行推理比对，根据推理得到的值，将其进行转化从而得到对应的PID控制器参数值。

规则\知识库推理，可以认为是由如下语句组成：

IF 数据 THEN 结论

其中，数据是指输入的温度误差及误差的差值等，误差的差值为后验差值，其基于历史数据计算得到。

专家控制器将输入的温度误差包括：e(k),e(k)-e(k-1),e(k-1)-e(k-2)，就是当前误差，误差的误差，误差的误差的误差；通过不同的误差值，再通过IF-THEN语句进行判断。

此即为通过前面的误差进行IF-THEN语句判断得到知识库中存储的PID参数，将此参数输出到PID控制器中。使PID能够按照最优的控制参数进行运算。

误差计算步骤中还包括对温度误差进行预估补偿。根据输出的控制量来提前预测下一阶段的情况，并将其跟温度误差共同作用到专家PID控制器上，起到提前预测的作用。

预估步骤可采用Smith预估控制器、最小拍控制算法、有纹波最小拍控制算法、无纹波最小拍控制算法、大林控制算法中的任一种计算预估温度误差，当然不限于上述举例。

本实施例中优选采用Smith预估控制器实现，Smith预估控制器输入的是PID的当前控制量，通过对控制量的提前预测计算得到此控制量下的温度，即输出预估温度值，将此温度值再作用到反馈环节中，计算得到一个温度误差，此温度误差即为预估后的温度误差，也就是提前预估得到的温度误差。若是实际系统此温度需要经过延时后才能得到，而加入了Smith预估控制器后能够对此进行提前预测，从而减弱滞后对整个系统的影响。

温度误差输入到复合控制器中，其中复合控制器是指由专家控制器、PID控制器以及Smith预估控制器组成的复合控制器；

将输入的实际温度误差和Smith预估控制器计算得到的预估值进行叠加得到最终的温度误差，此误差为后面的PID控制和专家控制提供计算和调参依据。

误差计算步骤中，温度误差由实际温度误差与预估温度误差进行计算得到；

实际温度误差为实际采集到的当前温度值与设定温度之间的差值。

其中，温度误差=实际温度误差+预估温度误差。

Smith预估控制器的输出的预估温度误差是Smith预估控制器通过对当前PID控制器的输出控制量进行计算，从而得到一个预估控制器输出的预估值。该预估值反应了实际输出值的误差，用于为下次控制器计算做准备；下次控制计算即下一次控制系统的控制量计算，整个控制系统在不断的运行则其控制器在不断对温度进行检测，计算温差，然后控制器对温差进行计算得到控制量，然后再一次检测温度。

PID控制器在输出控制量的同时也将控制器中的部分计算值进行保存和更新，为下次的控制计算做准备；

还包括计算预估温度误差的步骤，根据燃气阀门控制量计算出该控制量所对应的温度值Tg，预估温度误差为温度值Tg与设定温度值Ts之间的差值。

所述专家控制器计算出PID的控制参数的方法为：根据输入的温度误差，以及前次输入的温度误差、再前次输入的温度误差，跟已有的程序中的知识/规则库进行推理，得到PID控制器的比例、积分、微分三个环节的参数。

燃气阀门控制量以PWM波形的方式输出，以此来控制加热量。

进一步的，还包括设定采样时间的步骤，按照所设定的采样时间采集当前温度值，并执行所述的恒温控制。若采样时间未到，则不断计算采样时间直到采样时间到后进入到当前温度的采集，再次进入到温度调节。

本实施例的燃气热水器恒温控制方法通过对燃气热水器控制模型的推导得出燃气热水器的数学控制模型为带滞后的一阶惯性系统，并将惯性系统数学模型进行推导而可以初始的控制器数据和控制算法。

根据得到的控制系统数学模型，可知此系统为带滞后的一阶惯性系统，对此系统的控制本发明采用了新的控制器，即由经典PID控制器+专家控制器+Smith预估控制器三个相结合得到的复合控制器。

根据得到的控制系统数学模型结合Smith预估控制算法可以推导得到Smith预估控制器，将Smith预估控制器跟专家PID控制算法相结合得到热水器控制系统的复合控制器。

根据得到的控制对象模型和控制器算法，可以对控制系统的参数进行理论计算，通过计算可以得到初始控制数据从而加快整个系统的调试。

采用Smith预估和专家PID控制算法相结合的复合控制系统，可对带有大时滞的时变系统进行很好的控制。给出了燃气热水器的热水器控制对象模型，同时也给出了由专家控制器、Smith预估控制器和经典PID控制控制算法三种算法组成的复合控制器。通过分析，可以看出控制效果很好，同时系统这种复合控制算法能将各个算法的优点进行整合，将其缺点进行改进。

因为有了控制对象模型可以通过理论计算得到控制算法参数，加快控制算法调优；通过加热Smith预估控制算法能提前预判控制趋势从而加快控制进程；加入专家控制器后，会根据温度误差计算出最优的控制参数，使控制效果达到最优；从而提升了整个控制系统的品质。

实施例二，本实施例提出了一种燃气热水器，至少包括燃气燃烧装置、热交换器、阀体总成、风机、传感器等。传感器通常包括：进水流量传感器和出水（进水）温度传感器。燃气热水器的基本工作原理是冷水进入热水器，流经水气联动阀体在流动水的一定压力差值作用下，推动水气联动阀门，并同时推动直流电源微动开关将电源接通并启动脉冲点火器，与此同时打开燃气输气电磁阀门，通过脉冲点火器继续自动再次点火，直到点火成功进入工作状态，燃气正常燃烧加热接入冷水使之变成所需温度的输出热水。点火过程一般约连续维持5~10秒时间，当燃气热水器在工作过程或点火过程出现缺水或水压不足、缺电、缺燃气、热水温度过高、意外吹熄火等故障现象时，脉冲点火器将通过检测感应针反馈的信号，自动切断电源，燃气输气电磁阀门的缺电供给的情况下立刻回复原来的常闭阀状态，也就是说此时已切断燃气通路，关闭燃气热水器起安全保护作用。

该燃气热水器按照实施例一中所记载的燃气热水器恒温控制方法执行恒温控制。其控制方法及其技术效果可参见实施例一中记载，在此不做赘述。

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)

1.一种燃气热水器恒温控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

误差计算步骤：计算温度误差，并将温度误差作为输入量分别输入至专家控制器和PID控制器；

PID参数计算步骤：所述专家控制器根据输入的温度误差计算出PID的控制参数，所述PID控制器据此参数进行设置；

控制量输出步骤：所述PID控制器根据所输入的温度误差，计算出燃气阀门控制量并输出。

2.根据权利要求1所述的燃气热水器恒温控制方法，其特征在于，误差计算步骤中还包括对温度误差进行预估补偿。

3.根据权利要求2所述的燃气热水器恒温控制方法，其特征在于，还包括计算预估温度误差的步骤，根据燃气阀门控制量计算出该控制量所对应的温度值Tg，预估温度误差为温度值Tg与设定温度值Ts之间的差值；

误差计算步骤中，温度误差由实际温度误差与预估温度误差进行计算得到；

实际温度误差为实际采集到的当前温度值与设定温度之间的差值。

4.根据权利要求3所述的燃气热水器恒温控制方法，其特征在于，温度误差=实际温度误差+预估温度误差。

5.根据权利要求3所述的燃气热水器恒温控制方法，其特征在于，采用Smith预估控制器、最小拍控制算法、有纹波最小拍控制算法、无纹波最小拍控制算法、大林控制算法中的任一种计算预估温度误差。

6.根据权利要求1-5任一项所述的燃气热水器恒温控制方法，其特征在于，PID参数计算步骤中，PID的控制参数至少包括PID控制器的比例、积分、微分三个参数。

7.根据权利要求1-5任一项所述的燃气热水器恒温控制方法，其特征在于，所述专家控制器计算出PID的控制参数的方法为：根据输入的温度误差，以及前次输入的温度误差、再前次输入的温度误差，跟已有的程序中的知识/规则库进行推理，得到PID控制器的比例、积分、微分三个环节的参数。

8.根据权利要求1-5任一项所述的燃气热水器恒温控制方法，其特征在于，所述燃气阀门控制量以PWM波形的方式输出。

9.根据权利要求1-5任一项所述的燃气热水器恒温控制方法，其特征在于，还包括设定采样时间的步骤，按照所设定的采样时间采集当前温度值，并执行所述的恒温控制。

10.一种燃气热水器，其特征在于：其按照权利要求1-9任一项所述的燃气热水器恒温控制方法执行恒温控制。

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