DE19531133A1

DE19531133A1 - Fuzzy logic control of a through-flow water heater

Info

Publication number: DE19531133A1
Application number: DE19531133A
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof Dr Ing Kronberg; Joerg Dipl Ing Zill
Original assignee: Forbach GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 1995-08-24
Filing date: 1995-08-24
Publication date: 1997-02-27

Abstract

A through-flow water heater has a pipe in which there are two heating stages 4,6 each having pair of electrical resistance heating elements 4a,4b;6a,6b. The temperature of the output of each stage is measured by a sensor 8,10 and the output signals fed back to controllers 12a,12b that control the activation of the heater elements. The control action is based upon a fuzzy logic control algorithm in which actual temperature values are used with reference temperature variations in fuzzy sets.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Durchlauferhitzer mit mehreren einstellbaren Heizleistungsstufen und einer Einrichtung zur Einstellung der Heizleistungsstufen.The invention relates to an electrical Instantaneous water heater with several adjustable Heat output levels and a device for adjustment the heat output levels.

Bestimmungsgemäß hat ein elektrischer Durchlauferhitzer die Aufgabe, die durch ihn hindurchfließende Flüssigkeit, im allgemeinen Wasser, zu erwärmen. Bei funktionsgerechter Erfüllung dieser Aufgabe wird das austretende Wasser unabhängig von der Zulauftemperatur des Wassers, der Speisespannung des Netzes, dessen Innenwiderstand, den Widerstandswerten der Heizstufen, der Größe des Wasserstroms stets und nach längerer Betriebszeit (Alterung) eine vorgegebene Solltemperatur Tsoll mit einer maximalen Abweichung von Δ Tsoll besitzen. Hierbei wird vorausgesetzt, daß die erforderliche elektrische Leistung des Durchlauferhitzers die Anschlußleistung nicht übersteigt.As intended, an electric instantaneous water heater has the Task, the liquid flowing through it, in general water to heat. With functional The discharge water fulfills this task regardless of the inlet temperature of the water, the Supply voltage of the network, its internal resistance, the Resistance values of the heating levels, the size of the Water flow always and after a long period of operation (Aging) a predetermined target temperature Tsoll with a have maximum deviation from Δ Tsoll. Here will provided that the required electrical power the water heater does not have the connected load exceeds.

Ein solcher Durchlauferhitzer ist beispielsweise aus dem deutsche Patent 34 15 542 bekannt. Dieser Durchlauferhitzer umfaßt eine Aneinanderreihung von elektrisch beheizten Heizleistungsstufen, welche vom Wasser sequentiell unter Wärmeaufnahme durchströmt werden. Dabei ist eine Steuerung des elektrischen Durchlauferhitzers mit mindestens einer regelbaren Heizleistungsstufe derart vorgesehen, daß in einer Steuerphase beim Heizbeginn die Heizleistung fast bis an eine durch Messungen der Einlauftemperatur und der Temperaturerhöhung der Einlauftemperatur pro Zeiteinheit ermittelte Sollheizleistung herangeschaltet wird, die zum Erreichen der Solltemperatur bei der vorliegenden Durchflußmenge und Einlauftemperatur nötig ist, und daß in einer nachfolgenden Regelphase die Auslauftemperatur der Solltemperatur durch die regelbare Heizleistungsstufe nachgeführt wird.Such a water heater is for example from the German patent 34 15 542 known. This water heater includes a series of electrically heated Heat output levels, which are sequentially below the water Heat absorption can be flowed through. There is a control of the electric instantaneous water heater with at least one adjustable heating power level provided such that in a control phase at the start of heating the heating output almost to to one by measuring the inlet temperature and the Temperature increase of the inlet temperature per unit of time determined target heating power is brought up to the Reaching the target temperature at the present Flow rate and inlet temperature is necessary, and that in a subsequent control phase the outlet temperature of the Target temperature through the adjustable heating output level is tracked.

In vor der DE-PS 34 15 542 bekannten Ausführungsformen wurde die Einstellung der Ausgangstemperatur durch eine alleinige Steuerung realisiert. Dazu wird in einer Steuereinrichtung aus der gemessenen Zulauftemperatur des Wassers und dem aktuellen Wasserstrom mit der Solltemperatur des austretenden Wassers bei angenommener konstanter Netzspannung und gegebenem Widerstand der Heizleistungsstufen die erforderliche Heizleistung als Einschaltdauer berechnet. Diese berechnete Einschaltdauer wird nach dem Prinzip der Schwimmungspaketsteuerung eingestellt. Um die Flicker gemäß Norm IEC 555 (Spannungseinbrüche am inneren Widerstand des Versorgungsnetzes nach kurzfristiger, vergleichsweise hoher Leistungsaufnahme eines Verbrauchers) als Folge der durch die Schwingungspaketsteuerung hervorgerufenen Schaltvorgänge abzuschwächen, ist die Steuerung üblicher Weise so organisiert, daß möglichst kleine Leistungsunterschiede geschaltet werden und die Schalthäufigkeit möglichst niedrig ausfällt. Dieser Lösungsweg ist vergleichsweise einfach zu realisieren, besitzt aber alle Nachteile einer Steuerung im Vergleich zur eigentlich erwünschten Regelung der Austrittstemperatur.In known before DE-PS 34 15 542 embodiments was the setting of the initial temperature by a sole control implemented. This is done in a Control device from the measured inlet temperature of the Water and the current water flow with the Desired temperature of the emerging water with assumed constant mains voltage and given resistance of the Heat output levels the required heat output as Duty cycle calculated. This calculated duty cycle is based on the principle of swimming package control set. To the flicker according to standard IEC 555 (Voltage dips in the internal resistance of the Supply network after a short-term, comparatively high Power consumption of a consumer) as a result of the vibration packet control The control is more common to weaken switching operations Organized in such a way that the smallest possible Performance differences are switched and the Switching frequency is as low as possible. This Solution is comparatively easy to implement but has all the disadvantages of a control in comparison to the actually desired regulation of Outlet temperature.

Die Mängel dieser Steuerung wurden durch die Offenbarung der DE-PS 34 15 542 beseitigt, weil es vorgesehen wurde, den eingangsseitigen Teil eines Durchlauferhitzer wie bisher zu steuern und somit am Ende der Steuerstrecke eine Wassertemperatur zu erreichen, die dem Sollwert der Austrittstemperatur nahe kommt und diese dabei vorzugsweise nicht übersteigt, und einen kleineren, ausgangsseitigen Teil des Durchlauferhitzers als Regelstrecke zu betreiben und für diesen Regelkreis die gemessene Austrittstemperatur am Ausgang des eingangsseitigen Durchlauferhitzerteils als Istwert zu betrachten.The shortcomings of this control were made clear by the revelation DE-PS 34 15 542 eliminated because it was provided the input part of a water heater like to control so far and thus at the end of the control route To achieve water temperature that is the setpoint of the Exit temperature comes close and this preferably does not exceed, and a smaller, output side To operate part of the instantaneous water heater as a controlled system and the measured outlet temperature for this control loop at the outlet of the flow heater part as To consider actual value.

Dieser Regelkreis wirkt entsprechend der Soll-Ist- Wertdifferenz auf die Heizleistungsstufe dieses zweiten kleineren Teils des Durchlauferhitzer. Weil für diesen begrenzten Teil des Durchlauferhitzers Meß- und Stellort hinreichend eng beieinanderliegend ausführbar sind, wird eine zufriedenstehende Regelung möglich.This control loop works according to the target-actual Difference in value on the heating power level of this second smaller part of the water heater. Because for this limited part of the instantaneous water heater measuring and control location can be carried out sufficiently closely together a satisfactory regulation possible.

Das vorstehend skizzierte Prinzip einer Steuerung eines Zulaufseitigen großen Teils des Durchlauferhitzer (Steuerphase) und einer Regelung eines kleinen auslaufseitigen Teils des Durchlauferhitzers (Regelphase) beseitigt wesentliche Probleme einer alleinigen Regelung, die aus dem speziellen Charakter der Regelstrecke folgt. Der verbleibende Steuerung (Steuerphase) schränkt jedoch den Regelbereich des Regelkreises ein, so daß nicht alle Störungen in einem wünschenswert weiten Bereich ausgeregelt werden können.The principle outlined above of controlling a Large part of the flow heater on the inlet side (Tax phase) and a regulation of a small one outlet part of the instantaneous water heater (control phase) eliminates essential problems of a single regulation, which follows from the special character of the controlled system. However, the remaining control (tax phase) limits the control range of the control loop, so that not all Fixed a wide range of disturbances can be.

Zur Beseitigung dieses Nachteils wird es vorgeschlagen, die Heizleistung einer jeden Heizstufe, insbesondere einer jeden Heizwedel zu regeln. Hierdurch entsteht jedoch ein großer apparativer Aufwand, weil zusätzliche Komponenten, z. B. Regler, Stellglieder, Sollwert- und Istwertgeber, pro Regelkreis erforderlich sind. Während durch mikroelektronische Komponenten diese Mehraufwendungen im allgemeinen unbedeutend in die Kosten eingehen, sind die zusätzlich erforderlichen Sensoren von Nachteil.To overcome this disadvantage, it is proposed that Heating output of each heating level, especially one to regulate every heating element. However, this creates a great expenditure on equipment because additional components, e.g. B. controller, actuators, setpoint and actual value transmitter, pro Control loop are required. While through microelectronic components these additional expenses in the costs are generally insignificant additionally required sensors are disadvantageous.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Durchlauferhitzer anzugeben, mit dem die vorstehend beschriebenen Nachteile vermieden werden können.The invention is therefore based on the object specify electric water heater with which the Disadvantages described above can be avoided.

Diese Aufgabe wird bei einem elektrischen Durchlauferhitzer der eingangsgenannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einrichtung die Heizleistungsstufen mittels einer fuzzifizierten Bewertung einer oder mehrerer der Eingangsgrößen Sollwertabweichung für die aktuelle Flüssigkeitstemperatur, zeitliche Temperaturänderung, zweite zeitliche Ableitung der Temperatur, Flüssigkeitseintrittstemperatur, Flüssigkeitsstrom und zeitliche Änderung des Flüssigkeitsstroms einstellt.This task is done with an electric instantaneous water heater of the type mentioned in the invention, that the device uses the heating power levels fuzzified evaluation of one or more of the Input variables setpoint deviation for the current Liquid temperature, temporal temperature change, second time derivative of the temperature, Liquid inlet temperature, liquid flow and changes the liquid flow over time.

Auf diese Weise gelingt es, die Vorzüge beider Verfahren unter gleichzeitiger Vermeidung der mit diesen Verfahren verbundenen Nachteile zu kombinieren. Es wird ein besonders guter Kompromiß zwischen einer noch ausreichenden Regelbarkeit einerseits und einer noch hinreichend aufwandsarmen Gerätetechnik andererseits erreicht.In this way, the advantages of both methods are achieved while avoiding using these procedures combined disadvantages. It will be a special one good compromise between a still sufficient Controllability on the one hand and one still sufficient low-effort device technology achieved on the other hand.

Eine besonders gute Einstellung der Wasseraustrittstemperatur und ein dabei vertretbarer, technisch und wirtschaftlich sinnvoller Aufwand ergibt sich, wenn zwei Heizleistungsstufen in Reihe geschaltet vorgesehen sind, wobei die erste Stufe - in Strömungsrichtung der Flüssigkeit gesehen - einer Grobregelung und die zweite Stufe einer Feinregelung unterliegen. Auf diese Weise werden zwei unterschiedliche Fuzzifizierungsgrade zur Temperatureinstellung herangezogen, wobei mittels entsprechend abgestimmter Fuzzy-Sets zunächst eine Grob-Annäherung an die Sollaustrittstemperatur und anschließend eine Fein- Annäherung erfolgen. A particularly good attitude of the Leaving water temperature and a reasonable, technically and economically reasonable effort results when two heating power levels are connected in series are provided, the first stage - in Flow direction of the liquid seen - one Coarse control and the second stage of fine control subject to. This way, two will be different Fuzzification levels for temperature adjustment used, with the help of appropriately coordinated Fuzzy sets initially a rough approximation to that Target outlet temperature and then a fine Approximation.

Ein besonders guter Kompromiß zwischen Komplexität der Fuzzy-Sets und einer hinreichend genauen Temperatureinstellung ergibt sich, wenn für die Sollwertabweichung der aktuellen Temperatur ein Fuzzy-Set mit vorzugsweise fünf oder sieben Zugehörigkeitsfunktionen und/oder für die zeitliche Temperaturänderung ein Fuzzy-Set mit vorzugsweise drei oder fünf Zugehörigkeitsfunktionen vorgesehen sind.A particularly good compromise between the complexity of the Fuzzy sets and a sufficiently accurate one Temperature setting results when for Setpoint deviation of the current temperature a fuzzy set with preferably five or seven membership functions and / or a fuzzy set for the change in temperature over time with preferably three or five membership functions are provided.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:Embodiments of the invention are based on a Drawing explained in more detail. Show:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Durchlauferhitzers; Fig. 1 is a block diagram of a water heater;

Fig. 2 ein erstes Fuzzy-Set der Solltemperaturabweichung der Grobregelung; Fig. 2 shows a first fuzzy set target temperature deviation of the coarse control;

Fig. 3 ein erstes Fuzzy-Set der zeitlichen Temperaturänderung der Grobregelung; Fig. 3 shows a first fuzzy set of the temporal temperature change in the coarse control;

Fig. 4 eine erste Fuzzy-Regelbasis der Grobregelung; Fig. 4 shows a first fuzzy rule base of the coarse control;

Fig. 5 das Fuzzy-Set der zeitlichen Leistungsänderung der Grob- und Feinregelung; Fig. 5, the fuzzy set of the temporal change in power of the coarse and fine control;

Fig. 6 ein erstes Fuzzy-Set der Solltemperaturabweichung der Feinregelung; Fig. 6 shows a first fuzzy set target temperature deviation of the fine adjustment;

Fig. 7 ein erstes Fuzzy-Set der zeitlichen Temperaturänderung der Feinregelung; Fig. 7 shows a first fuzzy set of the temporal temperature change of the fine adjustment;

Fig. 8 die Formel zur Berechnung der Defuzzifizierung der zeitlichen Leistungsänderung; Fig. 8, the formula for calculating the defuzzification of the temporal change in power;

Fig. 9 eine erste Fuzzy-Regelbasis der Feinregelung; Fig. 9, a first fuzzy rule base for the fine adjustment;

Fig. 10 ein zweites Fuzzy-Set der Solltemperaturabweichung der Grobregelung; FIG. 10 is a second fuzzy set target temperature deviation of the coarse control;

Fig. 11 ein zweites Fuzzy-Set der zeitlichen Temperatur änderung der Grobregelung; FIG. 11 is a second fuzzy set of the temporal temperature change in the coarse control;

Fig. 12 eine zweite Fuzzy-Regelbasis der Grobregelung in Matrixdarstellung; FIG. 12 is a second fuzzy rule base of the coarse control in matrix representation;

Fig. 13 ein zweites Fuzzy-Set der Solltemperaturabweichung der Feinregelung; FIG. 13 is a second fuzzy set target temperature deviation of the fine adjustment;

Fig. 14 ein zweites Fuzzy-Set der zeitlichen Temperaturänderung der Feinregelung; und FIG. 14 is a second fuzzy set of the temporal temperature change of the fine adjustment; and

Fig. 15 eine zweite Fuzzy-Regelbasis der Feinreglung in Matrixdarstellung. Fig. 15, a second fuzzy rule base the fine regulation in matrix representation.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Durchlauferhitzers 2, der zwei Heizleistungsstufen 4, 6 mit jeweils zwei Heizwedeln 4a, 4b bzw. 6a, 6b aufweist. Jede Heizleistungsstufe verfügt am Ende der jeweiligen Temperaturregelstrecke über einen Sensor 8 bzw. 10. Die Sensoren 8, 10 messen die Ist-Temperatur des Wasserstroms Tistp bzw. Tist. Fig. 1 is a block diagram showing an instantaneous water heater 2, the two heating stages 4, 6, each having two Heizwedeln 4 a, 4 b and 6 a, 6 b has. Each heating output level has a sensor 8 or 10 at the end of the respective temperature control system. The sensors 8 , 10 measure the actual temperature of the water flow Tistp or Tist.

Die Signale der Sensoren 8, 10 werden an eine Einrichtung zur Einstellung der Heizleistungsstufen 4, 6 übermittelt, die aus Gründen der Anschaulichkeit hier als separate Einrichtungen 12a, 12b dargestellt sind. Die Einrichtungen 12a, 12b steuern wiederum ihrerseits die Heizwendel 4a, 4b bzw. 6a, 6b. The signals from the sensors 8 , 10 are transmitted to a device for setting the heating power levels 4 , 6 , which are shown here as separate devices 12 a, 12 b for reasons of clarity. The devices 12 a, 12 b in turn control the heating coil 4 a, 4 b and 6 a, 6 b.

Die Einrichtung 12a ist dabei als Fuzzy-Grobregelung ausgelegt, wobei als Solltemperatur der Grobregelung der Wert Tsollg vorgesehen ist. Dieser Wert Tsollg wird im Ausführungsbeispiel bestimmt aus der Gleichung:The device 12 a is designed as a fuzzy coarse control, the value Tsollg being provided as the target temperature of the coarse control. In the exemplary embodiment, this value Tsollg is determined from the equation:

Tsollg 2/3 x Tsoll + 10/3 Kelvin.Tsollg 2/3 x Tsoll + 10/3 Kelvin.

Die Einrichtung 12a zur Einstellung der Heizleistungsstufe 4 bewertet die Sollwertabweichung ΔT für die aktuelle Wassertemperatur Tistg gemäß den in Fig. 2 dargestellten Zugehörigkeitsfunktionen und die zeitliche Temperaturänderung T gemäß den in Fig. 3 aufgestellten Zugehörigkeitsfunktionen.The device 12 a for setting the heating power level 4 evaluates the setpoint deviation ΔT for the current water temperature Tistg according to the membership functions shown in FIG. 2 and the temperature change T over time according to the membership functions set out in FIG. 3.

Die Zugehörigkeit µ(Tnull) ist vergleichsweise schmal gehalten, damit schon geringe Temperaturabweichungen ΔT von der Solltemperatur Tsollg aus- und bewertbar sind. Die Zugehörigkeiten µ(Tneg) und µ(Tpos) sind für das sanfte Ausregeln bei mäßigem Abstand von der Solltemperatur Tsollg zuständig. Die Zugehörigkeiten µ(Tnegn) und µ(Tposp) sind für eine maximale Änderung der Heizleistung P zuständig, damit mit der Grobregelung eine hohe Dynamik erreicht wird.The membership µ (Tnull) is comparatively narrow kept so that even slight temperature deviations ΔT of the target temperature Tsollg can be evaluated and evaluated. The Affiliations µ (Tneg) and µ (Tpos) are for the gentle Adjustment at a moderate distance from the target temperature Tsollg responsible. The affiliations µ (Tnegn) and µ (Tposp) are for a maximum change in heating power P responsible for a high dynamic with the rough control is achieved.

Für die zeitliche Änderung der Temperatur T sind drei Zugehörigkeitsfunktionen vorgesehen. Die Zugehörigkeit µ(Dnull) deckt den Bereich um den Nullpunkt der zeitlichen Temperaturänderung ab, in dem auch kleine zeitliche Änderungen von Interesse sind. Die Zugehörigkeiten µ(Dneg) und µ(Dpos) fallen besonders dann ins Gewicht, wenn bei einer noch vergleichsweise großen Abweichung der Ist-Temperatur Tistg von der Solltemperatur Tsollg aufgrund hoher zeitlicher Änderungsgeschwindigkeiten der Temperatur (hoch dem Betrage nach) bereits eine Reaktion erfolgen muß. There are three for the change in temperature T over time Membership functions provided. Belonging µ (Dnull) covers the area around the zero point of the temporal change in temperature, in which even small changes in time are of interest. The Affiliations µ (Dneg) and µ (Dpos) are particularly striking then in weight, if with a still comparatively large deviation of the actual temperature Tistg from the Target temperature Tsollg due to high temporal Velocity of change of temperature (high amount after) a reaction must already take place.

Fig. 4 zeigt in einer Tabelle die Regelbasis der Grobregelung für die Verknüpfung der Zugehörigkeiten der Eingangsgrößen hier Sollwertabweichung ΔT und zeitliche Temperaturänderung . Diese Verknüpfung der Zugehörigkeiten der Eingangsgrößen wird als Inferenz bezeichnet. Die Einrichtung 12a arbeitet also auch als Inferenzstufe. Fig. 4, the rule base of the coarse control for the linking of the memberships is a table showing the input variables here setpoint deviation .DELTA.T and temporal temperature change. This combination of the affiliations of the input variables is called inference. The device 12 a also works as an inference stage.

Für das Fuzzy-Set der Leistung, P sind fünf Zugehörigkeitsfunktionen vorgesehen, und zwar gemäß Fig. 5 die Zugehörigkeiten µ(Pnegn), µ(Pneg), µ(Pnull), µ(Ppos) und µ(Pposp). Die Zugehörigkeit der Leistung P steht nicht für eine absolute Leistung- sondern für eine norminierte, zeitliche Leistungsveränderung . Die Zugehörigkeiten für die Leistung P müssen defuzzifiziert werden, wobei als Defuzzifizierungsmethode die Linienschwerpunktmethode verwendet wird, die gemäß der Formel in Fig. 8 berechnet wird.For the fuzzy set of the power, P, five membership functions are provided, namely, according to FIG. 5, the membership types µ (Pnegn), µ (Pneg), µ (Pnull), µ (Ppos) and µ (Pposp). The affiliation of the performance P does not stand for an absolute performance - but for a normalized, temporal change in performance. The affiliations for the power P must be defuzzified, the line center of gravity method being used as the defuzzification method, which is calculated according to the formula in FIG. 8.

Die mögliche Leistungsveränderung liegt in einem geschlossenen Intervall von -1 bis + 1. Es handelt sich hierbei nicht um die tatsächlich zu verändernde Leistung, sondern um einen normierten Wert für die zeitliche Leistungsänderung . Dieses Intervall wurde nochmals in fünf Teilintervalle unterteilt:The possible change in performance lies in one closed interval from -1 to + 1. It concerns not the actual performance to be changed, but a standardized value for the temporal Change in performance. This interval was repeated in divided into five sub-intervals:

P1. P = [-1 bis -0,75)
P2. P = [-0,75 bis -0,25)
P3. P = [-0,25 bis + 0,25]
P4. P = (+ 0,25 bis + 0,75]
P5. P = (+ 0,75 bis + 1].P1. P = [-1 to -0.75)
P2. P = [-0.75 to -0.25)
P3. P = [-0.25 to + 0.25]
P4. P = (+ 0.25 to + 0.75]
P5. P = (+ 0.75 to + 1].

Bei einer maximal zu veranlassenden zeitlichen Leistungsänderung gemäß Teilintervall P1 und P5 wird die Heizleistung P mit der höchstmöglichen Schalthäufigkeit geändert, wobei diese Änderung immer unter Beachtung der Flicker gemäß DIN IEC 555 geschieht. Im vorliegenden Fall ist dies bei den Heizwendeln 4a und 4b alle etwa 600 ms der Fall. Bei vergleichsweise geringeren zeitlichen Änderungen der Leistung gemäß den Teilintervallen P2 und P4 wird die Heizleistung in einem größeren Zeitabstand geschaltet. Im Ausführungsbeispiel hat sich ein Wert von etwa 1000 ms als günstig erwiesen. Bei diesem Wert ist das Schaltverhalten ausgeglichen, es erfolgt aber, trotzdem noch ein ausreichend schnelles Ausregeln der Solltemperaturabweichung ΔT. Bei einem Wert für die zeitliche Änderung der Leistung im Teilintervall P3 erfolgt keine Veränderung der aktuellen Heizleistung P.In the event of a maximum change in power output according to subinterval P1 and P5, the heating power P is changed with the highest possible switching frequency, this change always taking into account the flicker according to DIN IEC 555. In the present case, this is the case for the heating coils 4 a and 4 b every approximately 600 ms. With comparatively small changes in the power over time according to the subintervals P2 and P4, the heating power is switched at a greater time interval. In the exemplary embodiment, a value of approximately 1000 ms has proven to be favorable. The switching behavior is balanced at this value, but the setpoint temperature deviation .DELTA.T is regulated sufficiently quickly. With a value for the time change of the power in the subinterval P3, there is no change in the current heating power P.

In zur beschriebenen Grobregelung analoger Weise wird bei der Feinregelung mittels der Einrichtung 12b verfahren. Die Zugehörigkeitsfunktionen für die Sollwertabweichung ΔT der aktuellen Temperatur T_ ist sind in Fig. 6 dargestellt. Für die zeitliche Änderung der Temperatur sind drei Zugehörigkeitsfunktionen vorgesehen wie diese in Fig. 7 dargestellt sind. Die Regelbasis zur Verknüpfung der Zugehörigkeiten der Eingangsgrößen, hier Sollwertabweichung ΔT und die zeitliche Änderung der Temperatur , ist in Fig. 9 dargestellt.In a manner analogous to the rough control described, the device 12 b is used for fine control. The membership functions for the setpoint deviation ΔT of the current temperature T_ are shown in FIG. 6. For the temperature change over time, three membership functions are provided, as shown in FIG. 7. The rule base for linking the affiliations of the input variables, here setpoint deviation ΔT and the change in temperature over time, is shown in FIG. 9.

Eine Defuzzifizierung der Feinregelung erfolgt gemäß der in Fig. 8 dargestellten Formel, welche nach der Linienschwerpunktmethode abgeleitet ist. Für die zeitliche Leistungsänderung sind die in Fig. 5 dargestellten Zugehörigkeitsfunktionen vorgesehen. Das Intervall für die normierte zeitliche Leistungsänderung verläuft auch für die Feinregelung in einem geschlossenen Intervall von -1 bis + 1, welches die vorstehend beschriebene Unterteilung in fünf Teilintervalle P1 bis P5 aufweist.The fine control is defuzzified according to the formula shown in FIG. 8, which is derived using the line center of gravity method. The membership functions shown in FIG. 5 are provided for the change in power over time. The interval for the standardized temporal power change also runs for the fine control in a closed interval from -1 to + 1, which has the above-described division into five subintervals P1 to P5.

Bei einem Wert für die nominierte zeitliche Leistungsänderung im Teilintervall P1 oder P5 wird die Heizleistung mit der höchstmöglichen Schalthäufigkeit geändert, im Rahmen dessen, was unter der Beachtung der Flicker möglich ist. Bei den Heizwedeln 6a und 6b ist dies vorliegend alle etwa 30 Millisekunden der Fall. Die hier gewählte Zeit von 30 Millisekunden für die Feinregelung unterscheidet sich signifikant von dem für die Grobregelung gewählten Zeit von etwa 600 ms. Bei einem Wert der normierten zeitlichen Leistungsänderung in den Teilintervall P2 oder P4 wird in einem größeren Zeitabstand geschaltet, und zwar mit einem Wert von etwa 120 Millisekunden. Auch dieser Wert von 120 Millisekunden für die Feinregelung ist signifikant kleiner als der Wert von 1000 Millisekunden, der bei der Grobregelung vorgesehen ist. Bei einem Hineinfallen in das Teilintervall P3 erfolgt keine Veränderung der Leistung P.With a value for the nominated temporal power change in the subinterval P1 or P5, the heating power is changed with the highest possible switching frequency, within the scope of what is possible taking the flicker into account. In the case of the heating fronds 6 a and 6 b, this is the case here every approximately 30 milliseconds. The time selected here for the fine control of 30 milliseconds differs significantly from the time selected for the rough control of about 600 ms. With a value of the normalized temporal power change in the subinterval P2 or P4, switching takes place at a larger time interval, specifically with a value of approximately 120 milliseconds. This value of 120 milliseconds for the fine control is also significantly smaller than the value of 1000 milliseconds that is provided for the coarse control. If the subinterval P3 falls, there is no change in the power P.

Die Wahl der Kurven für die Zugehörigkeitsfunktionen gemäß den Fig. 2, 3, 5, 6 und 7 sowie deren Anzahl und Verteilung, das Aufstellen der Fuzzy-Regeln gemäß Fig. 4 und 9 und die Art der Verknüpfung ist vom zu regelnden Prozeß abhängig. Die Komplexität ergibt sich aus den Prozeßgegebenheiten und ist hier nicht höher gewählt worden, als es zum Erfüllen der Aufgabenstellung notwendig gewesen ist. Deshalb sind der hier vorgesehene Anwendung des elektrischen Durchlauferhitzers für die Solltemperaturabweichung ΔT fünf Zugehörigkeitsfunktionen und für die zeitliche Temperaturänderung drei Zugehörigkeitsfunktionen vorgesehen.The choice of the curves for the membership functions according to FIGS. 2, 3, 5, 6 and 7 and their number and distribution, the establishment of the fuzzy rules according to FIGS. 4 and 9 and the type of linkage depends on the process to be controlled. The complexity arises from the process conditions and was not chosen higher than was necessary to fulfill the task. For this reason, the use of the electric instantaneous water heater provided here for the target temperature deviation .DELTA.T has five membership functions and three membership functions for the temperature change over time.

Darüberhinaus ist es auch alternativ oder zusätzlich möglich, die Fuzzy-Regelung durch eine Bewertung der Wassereintrittstemperatur Tein und des Wasserstroms zu realisieren. Bezüglich der in den Fig. 4 und 9 gezeigten Regelbasen führt dies im Fall einer zusätzlichen Bewertung von Tein und Wasserstrom zu einer vierdimensionalen Regelbasis. Die damit erreichbare Genauigkeit der Einstellung der Wasseraustrittstemperatur Taus rechtfertigt jedoch den einmalig vergleichsweise hohen Aufwand bei der Erstellung der Regelbasen.In addition, it is alternatively or additionally possible to implement the fuzzy control by evaluating the water inlet temperature Tein and the water flow. With regard to the rule bases shown in FIGS . 4 and 9, this leads to a four-dimensional rule basis in the case of an additional assessment of the complexion and water flow. The accuracy of the setting of the water outlet temperature Taus that can be achieved in this way, however, justifies the uniquely comparatively high effort involved in creating the control bases.

Der vorstehend beschriebene Durchlauferhitzer eignet sich selbstverständlich nicht nur zum Erwärmen von Wasser, sondern ist bei entsprechender Modifikation prinzipiell zum Erwärmen aller Flüssigkeiten geeignet.The instantaneous water heater described above is suitable of course not just for heating water, but is in principle with the appropriate modification Suitable for heating all liquids.

Ein zweites Beispiel für die Fuzzy-Regelung wird in den Fig. 10 bis 15 gegeben.A second example of the fuzzy control is given in FIGS. 10 to 15.

Auch hierbei ist die Einrichtung 12a als Fuzzy-Grobregelung ausgelegt, wobei als Solltemperatur der Grobregelung der Wert Tsollg vorgesehen ist. Dieser Wert ist sinnvollerweise kleiner als die Solltemperatur Tsoll am Ausgang des Durchlauferhitzers 2 und mindestens so groß, daß die folgende Stufe 6 mit ihrer Heizleistung in der Lage ist, die gewünschte Temperatur am Ausgang des Durchlauferhitzer zu erreichen.Also in this case, the device 12 as a fuzzy rough scheme is designed, the value Tsollg is provided as a target temperature of the coarse control. This value is usefully less than the target temperature Tsoll at the outlet of the instantaneous water heater 2 and at least so large that the subsequent stage 6 with its heating capacity is able to reach the desired temperature at the outlet of the instantaneous water heater.

Tsollg wird in diesem Ausführungsbeispiels bestimmt aus der Gleichung:In this exemplary embodiment, Tsollg is determined from the Equation:

Tsollg = 0.76 _* TsollTsollg = 0.76 _* Tsoll

Die Einrichtung 12a zur Einstellung der Heizleistungsstufe 4 bewertet die Sollwertabweichung ΔTg für die aktuelle Wassertemperatur Tistg (Abweichung gleich Sollwert minus Istwert) gemäß den in Fig. 10 dargestellten Zugehörigkeitsfunktionen und die zeitliche Temperaturänderung g gemäß den in Fig. 11 dargestellten Zugehörigkeitsfunktionen. The device 12 a for setting the heating output level 4 evaluates the setpoint deviation ΔTg for the current water temperature Tistg (deviation equal to the setpoint value minus the actual value) according to the membership functions shown in FIG. 10 and the temperature change g over time according to the membership functions shown in FIG. 11.

Fig. 12 zeigt in einer Matrix die Regelbasis der Grobregelung für die Verknüpfung der Zugehörigkeiten der Eingangsgrößen Sollwertabweichung ΔTg und die zeitliche Temperaturänderung g. Diese Verknüpfung der Zugehörigkeiten der Eingangsgrößen wird als Inferenz bezeichnet. Die Einrichtung 12a arbeitet also auch als Inferenzstufe. Für jedes Feld der Matrix wird eine AND- Verknüpfung zwischen Zeilen und Spaltenzugehörigkeit durchgeführt. Fig. 12, the rule base of the coarse control for the linking of the memberships shows in a matrix of the input variables and the setpoint value deviation .DELTA.Tg temporal temperature change g. This combination of the affiliations of the input variables is called inference. The device 12 a also works as an inference stage. For each field in the matrix, an AND operation is carried out between rows and column membership.

Die Zugehörigkeiten µ der Felder müssen noch defuzzifiziert werden, um eine exakte Stellgröße für den Ausgangswert, in vorliegenden Fall die Veränderung der Heizleistung, zu erhalten. Hier eignet sich wieder die in Fig. 8 dargestellte Formel.The affiliations µ of the fields still have to be defuzzified in order to obtain an exact manipulated variable for the initial value, in this case the change in the heating power. The formula shown in FIG. 8 is again suitable here.

Die mögliche Leistungsveränderung liegt in einem geschlossenen Intervall von -1 bis +1. Es handelt sich dabei nicht um die tatsächlich zu verändernde Leistung, sondern um einen normierten Bereich, der ein Maß dafür darstellt, wann geschaltet wird.The possible change in performance lies in one closed interval from -1 to +1. It is about not the actual performance to be changed, but a standardized area that is a measure of it represents when to serve.

Dieses Intervall wurde nochmals in 18 Teilintervalle unterteilt. Jedem Teilintervall wird eine Zeit zugewiesen, nach der zur jeweils benachbarten Leistungsstufe geschaltet wird.This interval was repeated in 18 subintervals divided. A time is assigned to each subinterval, switched to the neighboring power level becomes.

1. = [-1. . . -0.9). . . Reduce performance after 600 ms
2. = [-0.9. . . -0.8). . . Reduce performance after 660 ms
3. = [-0.8. . . -0.7). . . Reduce performance after 720 ms
4. = [-0.7. . . -0.6). . . Reduce performance after 780 ms
5. = [-0.6. . . -0.5). . . Reduce performance after 840 ms
6. = [-0.5. . . -0.4). . . Reduce performance after 900 ms
7. = [-0.4. . . -0.3). . . Reduce power after 960 ms
7. = [-0.3. . . -0.2). . . Reduce power after 1020 ms
8. = [-0.2. . . -0.1). . . Reduce performance after 1080 ms
9. = [-0.1. . . +0.1]. . . Keep performance constant
10. = (+0.1.. +0.2]... Increase power after 1080 ms
11. = (+0.2... +0.33]... Increase power after 1020 ms
12. = (+0.3... +0.43]... Increase power after 960 ms
13. = (+0.4.. .0.5]... Increase power after 900 ms
14. = (+0.5... +0.6]... Increase power after 840 ms
15. = (+0.6... +0.72]... Increase power after 780 ms
16. = (+0.7.. +0.8]... Increase power after 720 ms
17. = (+0.8.. +0.9]... Increase power after 660 ms
18. = (+0.9... +1]... Increase power after 600 ms.

Bei der Heizleistungsstufe 4 ist es im vorliegenden Fall vorgesehen, daß die Leistung Pg in sechs Leistungsabstufungen unterteilt ist.In the case of heating power level 4 , it is provided in the present case that the power Pg is subdivided into six power levels.

In zur beschriebenen Grobregelung analoger Weise wird bei der Feinregelung mittels der Einrichtung 12b verfahren. Die Zugehörigkeitsfunktionen für die Sollwertabweichung ΔT der aktuellen Temperatur Tist sind in Fig. 13 dargestellt. Die Zugehörigkeiten der zeitliche Änderung der Temperatur sind in Fig. 14 dargestellt. Die Regelbasis zur Verknüpfung der Zugehörigkeiten der Eingangsgrößen, hier Sollwertabweichung ΔT und die zeitliche Änderung der Temperatur , ist in Fig. 15 dargestellt.In a manner analogous to the rough control described, the device 12 b is used for fine control. The membership functions for the setpoint deviation ΔT of the current temperature Tist are shown in FIG. 13. The affiliations of the change in temperature over time are shown in FIG. 14. The rule base for linking the affiliations of the input variables, here setpoint deviation ΔT and the change in temperature over time, is shown in FIG. 15.

Die Inferenzbildung und Defuzzifizierung erfolgt analog der Grobregelung. Das sich ergebende geschlossene Intervall ist in folgende 19 Teilintervalle unterteilt:Inference formation and defuzzification take place analogously to that Coarse regulation. The resulting closed interval is divided into the following 19 sub-intervals:

1. = [-1. . . -0.9). . . Reduce power after 90 ms
2. = [-0.9. . . -0.8). . . Reduce power after 120 ms
3. = [-0.8. . . -0.7). . . Reduce performance after 150 ms
4. = [-0.7. . . -0.6). . . Reduce performance after 180 ms
5. = [-0.6. . . -0.5). . . Reduce power after 210 ms
6. = [-0.5. . . -0.4). . . Reduce power after 240 ms
7. = (-0.4.. -0.3). . . Reduce performance after 270 ms
8. = (-0.3.. -0.19). . . Reduce power after 300 ms
9. = (-0.19.. -0.08). . . Reduce performance after 330 ms
10. = (-0.08.. +0.08). . . Keep performance constant
11. = (+0.08.. +0.19). . . Increase performance after 330 ms
12. = (+0.19.. +0.3). . . Increase power after 300 ms
13. = (+0.3.. +0.4). . . Increase power after 270 ms
14. = (+0.4.. +0.5). . . Increase power after 240 ms
15. = (+0.5.. +0.6). . . Increase power after 210 ms
16. = (+0.6.. +0.7). . . Increase power after 180 ms
17. = (+0.7.. +0.8). . . Increase power after 150 ms
18. = (+0.8.. +0.9). . . Increase power after 120 ms
19. = (+0.9.. +1). . . Increase power after 90 ms.

Bei der Heizleistungsstufe 6 ist es im vorliegenden Fall vorgesehen, daß die Leistung P in 24 Leistungsabstufungen unterteilt ist.In the case of heating power level 6 , it is provided in the present case that the power P is subdivided into 24 power levels.

Die Wahl der Kurven in den Fig. 10, 11, 13, 14 sowie deren Anzahl und Verteilung, das Aufstellen der Fuzzy- Regeln gemäß Fig. 12 und 15 und die Art der Verknüpfung ist vom zu regelnden Prozeß abhängig. Die Komplexität ergibt sich aus den Prozeßgegebenheiten und ist hier nicht höher gewählt worden, als es zum Erfüllen der Aufgabenstellung notwendig gewesen ist. Das zeigt sich beispielsweise auch darin, daß der fuzzimäßige Aufwand für die Feinregelung höher ist als für die Grobregelung.The choice of the curves in FIGS. 10, 11, 13, 14 and their number and distribution, the establishment of the fuzzy rules according to FIGS . 12 and 15 and the type of linkage depends on the process to be controlled. The complexity arises from the process conditions and was not chosen higher than was necessary to fulfill the task. This can also be seen, for example, in the fact that the fuzz-related effort for fine control is higher than for coarse control.

Claims

1. Electric instantaneous water heater ( 2 ) with a plurality of adjustable heating output levels ( 4 , 6 ) and a device ( 12 a, 12 b) for setting the heating output levels ( 4 , 6 ), characterized in that the device ( 12 a, 12 b) the heating output levels ( 4 , 6 ) by means of a fuzzified evaluation of one or more of the input variables setpoint deviation (ΔT) for the current liquid temperature (Tist, Tistg), temporal temperature change (), second temporal derivation of the temperature (), liquid temperature (Tein), liquid flow and changes the liquid flow over time.

2. An electrical heater (2) according to claim 1, characterized in that two heating stages (4, 6) connected in series are provided, seen the first stage (4) in the direction of flow of the liquid - a coarse control and the second stage (6) are subject to fine adjustment.

3. Electrical instantaneous water heater ( 2 ) according to claim 1 or 2, characterized in that a fuzzy set with preferably five or seven membership functions is provided for the setpoint deviation (ΔT) of the current temperature (Tist, Tistg).

4. Electrical instantaneous water heater ( 2 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that a fuzzy set with preferably three or five membership functions is provided for the temperature change over time (T).

5. Electrical instantaneous water heater ( 2 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that a preferably two-dimensional matrix is provided for linking the fuzzified input variables.