JP2020067238A - 給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給湯開始時及び給湯設定温度の変更時に、給湯設定温度に対して給湯温度を速やかに整定されるフィードフォワード制御を提供する。【解決手段】加熱機構の入力熱量が、第１のＦＦ項（ＦＦ１）及び第２のＦＦ項（ＦＦ２）の和によるフィードフォワード制御されることで、給湯装置の出湯温度は、給湯設定温度に制御される。ＦＦ１は、入水温度の検出値及び給湯設定温度の温度差と、給湯装置を通過する流量の検出値との積に従う目標号数Ｕｒに比例するように算出される。ＦＦ２は、目標号数Ｕｒが変化したときに、入力熱量の変化幅がＦＦ１の変化幅よりも大きくなるような極性で、かつ、絶対値が経時的に減少するように算出される。【選択図】図５

Description

本発明は給湯装置に関し、より特定的には、給湯装置における給湯温度制御に関する。

給湯装置での給湯温度制御では、出湯温度を速やかに給湯設定温度に整定させることが求められる。例えば、特許第６０６４６１３号公報（特許文献１）には、給湯設定温度及び入水温度の温度差と流量との積に比例したフィードフォワード制御と、給湯設定温度及び出湯温度の温度差に比例したフィードバック制御（いわゆる、比例補償制御）とを組み合わせて発生熱量を制御する給湯温度制御が記載されている。特許文献１では、入力号数（熱量）に対する実際の出力熱量の比（換算係数）を学習して、フィードフォワード項の算出に反映することによって、制御精度を高めることが記載されている。

特許第６０６４６１３号公報

給湯装置では、特に、給湯開始時における出湯温度の速やかな上昇が求められる。しかしながら、フィードバック制御では、熱交換器と給湯温度センサとの距離に起因する、入力熱量を変化させてから給湯温度の検出値が変化するまでの無駄時間の影響により、ゲインを上昇させるとオーバシュート又はアンダーシュートの発生が懸念される。

一方で、特許文献１のフィードフォワード制御では、給湯設定温度及び入水温度の温度差が一定の下では制御量が一定となるので、給湯開始時における速やかな温度上昇のニーズに効果的に対応することが困難である。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、給湯開始時及び給湯設定温度の変更時に、給湯設定温度に対して給湯温度を速やかに整定されるフィードフォワード制御を提供することである。

本発明のある局面では、給湯装置は、通過する流体を加熱するように構成された加熱機構と、第１及び第２の温度検出器と、流量検出器と，制御装置とを備える。第１の温度検出器は、加熱機構の上流側に配置されて給湯装置への入水温度を検出する。第２の温度検出器は、加熱機構の下流側に配置されて給湯装置からの出湯温度を検出する。流量検出器は、給湯装置を通過する流体の流量を検出する。制御装置は、入水温度、出湯温度、及び、流量の検出値に基づき、出湯温度が給湯設定温度に整定するように加熱機構の入力熱量を制御する。制御装置は、入水温度の検出値及び給湯設定温度の温度差と、流量の検出値との積に従う目標熱量に比例した第１のフィードフォワード項と、第２のフィードフォワード項との加算値に従って入力熱量を制御する。第２のフィードフォワード項は、目標熱量が変化したときに入力熱量の変化幅が第１のフィードフォワード項の変化幅よりも大きくなるような極性で、かつ、絶対値が経時的に減少するように算出される。

本発明によれば、給湯開始時及び給湯設定温度の変更時に、給湯設定温度に対して給湯温度を速やかに整定されるフィードフォワード制御を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る給湯装置の概略構成図である。 図１に示された給湯装置の給湯温度制御における入出力関係を説明するブロック図である。 入力号数に対する出力号数の応答例を説明するための概念的な波形図である。 給湯装置における給湯温度制御の制御処理を説明するフローチャートである。 フィードフォワード制御の動作例を説明するための概念的な波形図である。 第１の変形例に係る燃焼運転開始時の制御処理を説明するフローチャートである。 第２の変形例に係る最大号数制限の制御処理を説明するフローチャートである。 第２の変形例に係るフィードフォワード制御の動作例を説明するための概念的な波形図である。 第３の変形例に係るフィードフォワード制御の動作例を説明するための概念的な波形図である。 第３の変形例に係る学習係数の更新に係る制御処理を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る給湯装置の構成の変形例を説明する概略図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中の同一又は相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態に係る給湯装置の概略構成図である。
図１を参照して、本実施の形態に係る給湯装置１００は、給湯配管１１０と、バイパス配管１２０と、ガスバーナ１３０と、熱交換器１４０と、ガス比例弁１５０と、流量調整弁１６０と、制御装置２００とを備える。

給湯配管１１０は、入水口から給湯口までを連結するように構成される。流量調整弁１６０は、給湯配管１１０に介挿接続される。制御装置２００により流量調整弁１６０の開度を調整することによって、出湯量を制御することができる。

ガスバーナ１３０は、図示しないガス配管から供給されたガスと、図示しない燃焼ファンから供給された空気との混合気を燃焼することによって、熱量を発生する。ガスバーナ１３０に供給されるガス圧（すなわち、単位時間当たりのガス供給量）は、ガス比例弁１５０の開度に応じて制御される。なお、燃焼ファンからの供給空気量は、ガスバーナ１３０での燃焼における空燃比を一定に維持するように制御される。

ガスバーナ１３０での燃焼により発生された熱量は、熱交換器１４０を経由して、給湯配管１１０を通過する流体（水）の温度上昇に用いられる。即ち、ガスバーナ１３０及び熱交換器１４０によって、「流体」の代表例である水を加熱する「加熱機構」を構成することができる。更に、図１に例示した給湯装置１００では、熱交換器１４０の出力と、熱交換器１４０を非通過とするように、熱交換器１４０の上流側及び下流側を接続するバイパス配管１２０が設けられて、バイパス配管１２０の出力（低温水）と、熱交換器１４０の出力（高温水）とを混合して出湯するように構成されている。更に、全体流量に対するバイパス配管１２０の流量比（バイパス流量比）を制御するためのバイパス流量弁１２５が更に配置される。尚、バイパス配管１２０及びバイパス流量弁１２５の配置は省略されてもよい。

制御装置２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１と、メモリ２０２と、入出力（Ｉ／Ｏ）回路２０３と、電子回路２０４とを含む。ＣＰＵ２０１、メモリ２０２及びＩ／Ｏ回路２０３は、バス２０５を経由して、相互に信号の授受が可能である。電子回路２０４は、所定の演算処理を専用のハードウェアによって実行するように構成される。電子回路２０４は、ＣＰＵ２０１及びＩ／Ｏ回路２０３との間で信号の授受が可能である。

給湯配管１１０には、流量センサ２１０と、温度センサ２２０，２３０が設けられる。流量センサ２１０によって、給湯配管１１０の流量Ｑが検出される。温度センサ２２０は、熱交換器１４０の上流側に設けられて、入水温度Ｔｃを検出する。温度センサ２３０は、熱交換器１４０の下流側に設けられて、出湯温度Ｔｈを検出する。検出された流量Ｑ、入水温度Ｔｃ及び出湯温度Ｔｈは、制御装置２００に入力される。すなわち、流量センサ２１０は「流量検出器」の一実施例に対応し、温度センサ２２０は「第１の温度検出器」の一実施例に対応し、温度センサ２３０は「第２の温度検出器」の一実施例に対応する。

尚、バイパス配管１２０及びバイパス流量弁１２５が配置される構成では、流量センサ２１０は、熱交換器１４０の通過流量を検出するように配置されてもよい。この場合には、流量センサ２１０による流量検出値と、バイパス流量弁１２５の開度から求められるバイパス流量比とを用いて、給湯配管１１０の流量Ｑ（即ち、給湯装置１００の通過流量）を求めることができる。

制御装置２００は、Ｉ／Ｏ回路２０３を通じて、各センサからの出力信号（検出値）及びユーザ指令を受けるとともに、給湯装置１００の全体動作を制御するために、各機器への制御指令を発生する。ユーザ指令には、給湯装置１００の運転スイッチのオン／オフ指令及び給湯設定温度（Ｔｒ＊）指令が含まれる。

給湯装置１００は、運転スイッチのオン状態であり、かつ、給湯栓（図示せず）の開栓に応じて検出された流量Ｑが予め定められた最小作動流量（ＭＯＱ）以上になると、ガスバーナ１３０での燃焼を開始して、給湯運転を開始する。反対に、給湯運転中に、閉栓に応じて検出された流量Ｑが最小作動流量（ＭＯＱ）よりも低下すると、ガスバーナ１３０での燃焼が停止されて給湯運転が停止される。又、給湯運転中に、Ｑ≧ＭＯＱのままで運転スイッチがオフされても、ガスバーナ１３０での燃焼が停止されて、給湯運転は停止される。

図２には、給湯装置１００の給湯温度制御における入出力関係を説明するブロック図が示される。

図２を参照して、給湯装置１００では、図１のガスバーナ１３０での発生熱量に相当する入力熱量に応じて熱交換器１４０で流体の加熱量が調整されることにより、入水温度Ｔｃから出湯温度Ｔｈへの昇温量が制御される。図１の給湯装置１００では、ガス比例弁１５０の開度制御により、入力熱量を制御することができる。

入力熱量の変化に応じて、出湯温度Ｔｈが反映された出力熱量ＱＯが変化する。一般的に、給湯装置では、熱量は、号数を単位として演算される。号数＝１は、Ｑ＝１（Ｌ／ｍｉｎ）の流量下で湯温を２５℃上昇させるのに必要な熱量に相当する。以下では、号数を単位とする出力熱量ＱＯ及び入力熱量ＱＩについては、出力号数ＱＯ及び入力号数ＱＩとも称する。出力号数ＱＯは、下記の式（１）で示される。

ＱＯ＝（Ｔｈ−Ｔｃ）・Ｑ／２５ …（１）
図３に示されるように、入力号数に対する出力号数の応答、即ち、出湯温度Ｔｈの変化は、加熱に伴う温度上昇の一次遅れ（時定数Ｔ）と、熱交換器１４０による加熱から温度センサ２３０によって検出されるまでの無駄時間Ｌとを組み合わせたものとして与えられる。

即ち、周波数領域での入力号数ＱＩ（ｓ）及び出力号数ＱＯ（ｓ）の間の伝達関数Ｇ（ｓ）＝ＱＯ（ｓ）／ＱＩ（ｓ）は、下記の式（２）で示される。

Ｇ（ｓ）＝｛ｋ／（Ｔ・ｓ＋１）｝・ｅｘｐ（−Ｌ・ｓ） …（２）
式（２）中において、ｓはラプラス演算子であり、ｋは、給湯装置１００に固有の定数である。無駄時間Ｌ及び時定数Ｔは、流量Ｑによって変化することが理解される。

次に、給湯装置１００での給湯温度制御について説明する。
図４は、給湯温度制御の制御処理を説明するフローチャートである。図４に示した制御処理は、例えば、一定の制御周期Ｔｓが経過するたびに制御装置２００によって実行することができる。以下では、今回の制御周期における値には符号［ｎ］を付記し、前回の制御周期における値には符号［ｎ−１］を付記する。

図４を参照して、制御装置２００は、ステップ（以下、単に「Ｓ」と表記する）１１０において、下記の式（３）に従って目標号数Ｕｒ［ｎ］を算出する。目標号数Ｕｒは、入水温度Ｔｃから給湯設定温度Ｔｒ＊まで昇温するために必要な号数を示している。

Ｕｒ［ｎ］＝（Ｔｒ＊−Ｔｃ）・Ｑ／２５ …（３）
制御装置２００は、Ｓ１２０により、今回の制御周期での学習係数ｋ［ｎ］を算出する。学習係数ｋは、式（２）中の定数ｋに相当し、定常状態における入力号数及び出力号数の実績比（ＱＯ／ＱＩ）によって示される。Ｔｒ＊＝Ｔｈに制御された定常状態では、理論的には、ｋ＝１．０であるが、実機での熱損失等の影響でｋ≠１となることが想定される。入力号数及び出力号数の実績値の比を学習することで、目標号数に適合した入力号数の設定精度を高めることができる。

制御装置２００は、Ｓ１３０により、目標号数Ｕｒ［ｎ］（Ｓ１１０）及び学習係数ｋ［ｎ］（Ｓ１２０）を用いて、第１のフィードフォワード項（以下、「第１のＦＦ項」とも称する）であるＦＦ１［ｎ］を式（４）に従って算出する。

ＦＦ１［ｎ］＝Ｕｒ［ｎ］／ｋ［ｎ］ …（４）
ＦＦ１は、（１／ｋ［ｎ］）を比例係数として、目標号数Ｕｒに比例して算出される。即ち、Ｓ１２０での学習係数ｋの導入により、当該比例係数についても、入力号数及び出力号数の実績比に従って更新されることとなる。尚、目標号数Ｕｒが一定の下では、ＱＩ＝ＦＦ１［ｎ］と設定することで、一定時間の経過後には、Ｔｈ＝Ｔｒ＊に制御することができる。即ち、ＦＦ１は、定常状態でＴｈ＝Ｔｒ＊とするための制御量に相当する。

一方で、給湯運転開始時には、目標号数Ｕｒは０から式（３）による算出値へステップ状に変化する。同様に、給湯運転中に、流量Ｑ、入水温度Ｔｃ及び給湯設定温度Ｔｒ＊の少なくとも１つが変化した場合にも、目標号数Ｕｒは変化する。従って、本実施の形態では、目標号数Ｕｒの変化に伴う過渡状態での出湯温度Ｔｈの応答を改善するための第２のＦＦ項が導入される。

制御装置２００は、Ｓ１４０により、第２のフィードフォワード項（以下、「第２のＦＦ項」とも称する）であるＦＦ２［ｎ］を下記の式（５），（６）に従って設定する。

ＦＦ２［ｎ］＝α／ｋ［ｎ］・ΔＵｒ＋β・ＦＦ２［ｎ−１］ …（５）
ΔＵｒ＝Ｕ［ｎ］−Ｕｒ［ｎ−１］ …（６）
式（５）中のαは調整ゲインであり、βは、第２のＦＦ項の減衰係数（０＜β＜１）である。ＦＦ２［ｎ］の第１項は、目標号数Ｕｒの前回の制御周期からの変化量ΔＵｒに比例していることが理解される。

又、ＦＦ［２］の第２項の減衰係数βは、上記一次遅れの時定数Ｔ及び制御周期Ｔｓを用いて、下記の式（７）に従って設定することができる。

β＝γ・ｅｘｐ（−Ｔｓ／Ｔ） …（７）
式（７）中のγは調整ゲインである。時定数Ｔは、流量Ｑに応じて変化する。例えば、Ｓ１４０では、予め作成された、流量Ｑの検出値から時定数Ｔを設定する数式又はテーブルを参照して、減数係数βを設定することができる。式（７）を用いることにより、減衰係数βの乗算によるＦＦ２の減衰を、時定数Ｔによる減衰よりも速くすることができる。

制御装置２００は、Ｓ１５０により、第１のＦＦ項及び第２のＦＦ項の加算によりフィードフォワード制御による制御量（以下、「ＦＦ制御量」とも称する）ＦＦ［ｎ］を設定する（ＦＦ［ｎ］＝ＦＦ１［ｎ］＋ＦＦ２［ｎ］）。例えば、フィードフォワード制御のみによって、今回の制御周期における入力熱量ＱＩ［ｎ］＝ＦＦ［ｎ］に設定することができる。

図５は、フィードフォワード制御の動作例を説明するための概念的な波形図である。
図５を参照して、時刻ｔ０では、給湯運転が開始されることにより目標号数Ｕｒが０からＵ１に増加する。更に、時刻ｔ２では、給湯設定温度Ｔｒ＊が変更されることにより、目標号数ＵｒがＵ２からＵ１に低下する。尚、入水温度Ｔｃ及び流量Ｑは一定であるものとする。

時刻ｔ０での給湯運転開始に応じて、第１のＦＦ項（ＦＦ１）は、Ｕ１に対応する値に設定される。時刻ｔ２までの間、目標号数Ｕｒが変化しない下では、ＦＦ１は一定値に維持される。

時刻ｔ０では、目標号数Ｕｒが０からＵ１に増加するのに応じて、式（５）中のΔＵｒ＞０となるので、第２のＦＦ項（ＦＦ２）は、ＦＦ２＞０に設定される。従って、ＦＦ制御量の変化量（ＦＦ１＋ＦＦ２）が、ＦＦ１の変化量よりも大きくなるように、ＦＦ２の極性が設定される。

時刻ｔ０以降では、ＦＦ２の絶対値は減衰係数βの乗算に従って減衰し、時刻ｔ１において、ＦＦ２は０まで減衰する。上記の式（７）に従って時定数Ｔに基づいて減衰係数βを設定することにより、時刻ｔ０〜ｔ１の時間長は、時定数Ｔと同等、或いは、時定数Ｔよりも短く設定される。

時刻ｔ２では、目標号数ＵｒがＵ１からＵ２に低下するのに応じて、第１のＦＦ項（ＦＦ１）は、Ｕ２に対応する値に設定される。これにより、時刻ｔ２において、ＦＦ１は低下する。更に、時刻ｔ２において、式（５）中のΔＵｒ＜０となるので、第２のＦＦ項（ＦＦ２）は、ＦＦ２＜０に設定される。この場合にも、ＦＦ制御量の変化量（ＦＦ１＋ＦＦ２）が、ＦＦ１の変化量よりも大きくなるように、ＦＦ２の極性が設定されている。

時刻ｔ２以降では、減衰係数βの乗算に従ってＦＦ２の絶対値が減衰して、時刻ｔ３においてＦＦ２は０まで減衰する。時刻ｔ２〜ｔ３の時間長は、時刻ｔ０〜ｔ１の時間長と同様に、時定数Ｔと同等、或いは、時定数Ｔよりも短く設定することができる。

このように、本実施の形態に従う給湯装置の給湯温度制御によれば、定常状態でＴｈ＝Ｔｒ＊とするための第１のＦＦ項（ＦＦ１）に加えて、目標号数の変化に伴うＦＦ１の変化時に、ＦＦ１の変化方向と同じ極性の第２のＦＦ項（ＦＦ２）を加算することで、出湯温度Ｔｈが給湯設定温度Ｔｒ＊に速やかに整定するように過渡応答を改善できる。

更に、第２のＦＦ項（ＦＦ２）が、時定数Ｔに従って減衰するように設定されるので、給湯運転開始直後や給湯設定温度の変更直後の一定期間にフィードフォワード制御量を一定量増加又は減少させる単純な制御と比較して、出湯温度Ｔｈのオーバシュート又はアンダーシュートを抑制できる。

尚、本実施の形態に従うフィードフォワード制御に対して、定常状態における温度誤差の補償のために、温度センサ２３０の検出値を用いたフィードバック制御、例えば、出湯温度の制御偏差（Ｔｒ＊−Ｔｈ）とゲイン値とを乗算した比例補償制御を更に組み合わせることも可能である。

又、温度センサ２３０の検出値を用いたバイパス流量弁１２５の開度、即ち、全体流量に対するバイパス配管１２０の流量比（バイパス流量比）のフィードバック制御によって、出湯温度Ｔｈを補助的に制御することができる。具体的には、Ｔｈ＜Ｔｒ＊の場合には、バイパス流量比を低下させる一方で、Ｔｈ＞Ｔｒ＊の場合には、バイパス流量比を上昇させるように、バイパス流量弁１２５の開度を制御することができる。但し、温度センサ２３０の検出値に基づくフィードバック制御では、給湯運転開始直後や給湯設定温度の変更直後の過渡応答の改善には、上述のフィードフォワード制御よりも効果は低い。尚、バイパス配管１２０及びバイパス流量弁１２５の配置が省略された構成においても、本実施の形態に従う入力熱量の制御による給湯温度制御を同様に適用して、出湯温度の過渡応答を改善することが可能である。

（第１の変形例）
給湯運転開始時（図５での時刻ｔ０）には、目標号数Ｕｒが０から大きく増加するため、第２のＦＦ項（ＦＦ２）の絶対値も比較的大きくなる。一方で、前回の給湯運転停止から短時間で給湯運転を再開する等、給湯運転開始において、出湯温度Ｔｈが給湯設定温度Ｔｒ＊近傍であるケースが存在する。このようなケースでは、第２のＦＦ項（ＦＦ２）による号数の加算が過剰となって、出湯温度Ｔｈの制御精度が低下することが懸念される。

従って、第１の変形例として、図６のフローチャートに示す燃焼運転開始時の処理を更に追加することが可能である。

図６を参照して、制御装置２００は、給湯運転開始時（Ｓ１００のＹＥＳ判定時）には、Ｓ１０５により、式（３）において入水温度Ｔｃに代えて、現在（即ち、給湯運転開始時点）の出湯温度Ｔｈの検出値を用いて、目標号数Ｕｒの初期値Ｕｒ［０］を算出する。即ち、Ｕｒ［０］が下記の式（８）に従って設定される。

Ｕｒ［０］＝（Ｔｒ＊−Ｔｈ）・Ｑ／２５ …（８）
制御装置２００は、給湯運転開始後の初回の制御周期（ｎ＝１）では、Ｓ１０５によるＵｒ［０］の設定後、図４のＳ１１０に処理を進める。これにより、Ｓ１１０にてＵｒ［１］が設定された後、Ｓ１４０では、Ｓ１０５によるＵｒ［０］及びＳ１１０によるＵｒ［１］を用いて、式（５）において、ΔＵｒ＝Ｕｒ［１］−Ｕｒ［０］、かつ、ＦＦ２［０］＝０として、ＦＦ２［１］を算出することができる。

一方で、初回の制御周期以降（ｎ≧２）では、制御装置２００は、Ｓ１００がＮＯ判定となることにより、Ｓ１０５をスキップして、処理を図４のＳ１１０に進める。この場合には、前回の制御周期でのＵｒ［ｎ−１］、及び、ＦＦ２［ｎ−１］を用いて、Ｓ１４０により、ＦＦ２［ｎ］を算出することができる。

この結果、第１の変形例によれば、給湯温度開始時点の出湯温度Ｔｈが給湯設定温度Ｔｒ＊近傍である場合に、フィードフォワード制御（第２のＦＦ項）の制御量が過剰となることを防止できる。これにより、給湯運転開始時点における出湯温度Ｔｈの影響で出湯温度Ｔｈの制御精度が低下することを防止できる。

（第２の変形例）
実際の給湯温度制御では、入力号数ＱＩに上限値（以下、最大号数Ｆｍａｘと表記する）を設定した最大号数制限が行われることが一般的である。この結果、過渡応答改善のために、ＦＦ制御量をＦＦ１＋ＦＦ２に従って設定しても、ＦＦ１＋ＦＦ２＞Ｆｍａｘの期間では、入力熱量が制御値に対して不足することで、出湯温度Ｔｈの制御精度が低下することが懸念される。

図７は、第２の変形例に係る最大号数制限の制御処理を示すフローチャートである。
図７を参照して、制御装置２００は、図４のＳ１５０の処理後に、Ｓ１６０により最大号数制限処理を実行する。Ｓ１６０は、Ｓ１６２〜Ｓ１６７を有する。尚、図７の処理では、図４で説明したフィードフォワード制御のみで給湯温度制御が実行されており、入力熱量ＱＩは、Ｓ１５０で算出されたＦＦ制御量ＦＦ［ｎ］と等しいものとする。

制御装置２００は、Ｓ１６０により、最大号数Ｆｍａｘに対する超過量の積算値Ｅ［ｎ］を算出する。具体的には、前回周期での積算値Ｅ［ｎ−１］に、今回の制御周期においてＳ１５０で算出されたＦＦ［ｎ］から最大号数Ｆｍａｘを減算した超過量（ＦＦ［ｎ］−Ｆｍａｘ）を加算することによって、今回の制御周期での積算値Ｅ［ｎ］が算出される。最大号数Ｆｍａｘは［最大入力熱量」の一実施例に対応する。

制御装置２００は、Ｅ［ｎ］＞０のとき（Ｓ１６３のＹＥＳ判定時）には、Ｓ１４０で算出されたＦＦ［２］＜εでないことを条件に（Ｓ１６４のＮＯ判定時）、Ｓ１６７により、ＦＦ［ｎ］＝Ｆｍａｘに修正する。一方で、Ｅ［ｎ］≦０のとき（Ｓ１６３のＮＯ判定時）、又は、ＦＦ［２］＜εのとき（Ｓ１６４のＮＯ判定時）には、Ｓ１６５により、Ｅ［ｎ］＝０にクリアするとともに、Ｓ１６６により、ＦＦ制御量ＦＦ［ｎ］をＳ１５０での算出値から修正することなく、入力熱量ＱＩを設定する。

尚、Ｓ１６４での判定値εは、例えば、ＦＦ１［ｎ］の５％程度に設定することができる。判定値εは、流量Ｑや入水温度Ｔｃが微妙に変化し続けるような状況であっても、図５での時刻ｔ１〜ｔ２の期間、及び、時刻ｔ３以降の期間において、Ｓ１６４がＮＯ判定となるように、予め設定される。

図８には、図７に示した最大号数制限が適用されたフィードフォワード制御の動作例を説明するための概念的な波形図が示される。

図８においても、時刻ｔ０〜ｔ１において、第１のＦＦ項（ＦＦ１）及び第２のＦＦ項（ＦＦ２）は、図５と同様に算出される。時刻ｔ０〜ｔａの期間では、（ＦＦ１＋ＦＦ２）＞Ｆｍａｘとなっており、最大号数Ｆｍａｘに対する超過量が発生する。

このため、時刻ｔ０〜ｔａの期間では、ＦＦ制御量ＦＦ＝Ｆｍａｘに修正される上限制限が実行されるとともに、積算値Ｅが増加する。時刻ｔａ以降では、ＦＦ＜Ｆｍａｘとなるので、積算値Ｅは減少に転じるが、Ｅ＝０まで減少する時刻ｔｂまで、即ち、時刻ｔａ〜ｔｂの期間では、ＦＦ制御量ＦＦ＝Ｆｍａｘに修正される。積算値Ｅ＝０となった時刻ｔｂ以降では、ＦＦ制御量は修正されず、ＦＦ＝ＦＦ１＋ＦＦ２に設定される。

従って、図８において、時刻ｔ０〜ｔａの期間での（ＦＦ１＋ＦＦ２−Ｆｍａｘ）の積分値と、時刻ｔａ〜ｔｂの期間での（Ｆｍａｘ−ＦＦ１−ＦＦ２）の積分値とは同等である。言い換えると、時刻ｔ０〜ｔａの上限制限期間における超過量（ＦＦ−Ｆｍａｘ）の積算値に相当する熱量が、ＦＦ＜Ｆｍａｘとなった時刻ｔａ以降の期間（時刻ｔａ〜時刻ｔｂ）において、計算されたＦＦ制御量に対して加算されることになる。

この結果、最大号数制限を実現するとともに、制限前の制御値（ＦＦ１＋ＦＦ２）に従って、入力熱量のトータル値を確保することができる。従って、例えば、流量Ｑが多いことにより最大号数制限が適用される場合にも、過渡応答改善のためのＦＦ制御に従ったトータル熱量を入力できるので、出湯温度Ｔｈの制御精度が低下することを防止できる。

又、Ｓ１６４の処理を加えることで、入力熱量（ＦＦ制御値）が本来の制御値から最大号数Ｆｍａｘに上昇される期間を、ＦＦ［２］＞εの期間に限定することで、入力熱量が過剰となることを防止できる。

（第３の変形例）
第３の変形例では、フィードフォワード制御中における学習係数の更新処理について説明する。特許文献１にも記載されるように、学習係数ｋは、入力号数及び出力号数の比（ＱＯ／ＱＩ）の実績を反映することで、目標号数に適合した入力号数の設定精度を高めるために導入される。第ｎ番目の制御周期における学習係数ｋ［ｎ］は、前回の制御周期における入力号数ＱＩ［ｎ−１］及び現在の制御周期における出力号数ＱＯ［ｎ］の実績比を学習するように、例えば、下記の式（９）に従って求めることができる。

ｋ［ｎ］＝ｒ・ｋ［ｎ−１]＋（１−ｒ）・ＱＯ［ｎ］／ＱＩ［ｎ−１］ …（９）
式（９）中において、ｒは学習速度を調整するためのパラメータであり、０≦ｒ≦１の範囲内で設定される。ｒ＝１とすると、ｋ［ｎ］＝ｋ［ｎ−１］となって、学習係数の更新を禁止することができる。

学習係数ｋは、入力号数ＱＩ及び出力号数ＱＯが大きく変化しない定常状態で算出することが好ましい。このため、本実施の形態に従うフィードフォワード制御による第２のＦＦ項が影響している期間中に学習係数ｋを更新すると、制御精度の低下が懸念される。

図９は、第３の変形例に係るフィードフォワード制御の動作例を説明するための概念的な波形図である。図９においても、第１のＦＦ項（ＦＦ１）及び第２のＦＦ項（ＦＦ２）は、図３と同様に算出されている。

第３の変形例では、学習禁止フラグが新たに導入される。学習禁止フラグは、｜ＦＦ２｜＞εの期間（時刻ｔ０〜ｔ１の期間、及び、時刻ｔ２〜ｔ３の期間）において、“１”に設定される。更に、学習禁止フラグは、｜ＦＦ２｜＜εになってから、更に、無駄時間Ｌに相当する時間が経過するまでの期間（時刻ｔ１〜ｔｘの期間、及び、時刻ｔ３〜ｔｙの期間）においても“１”に設定される。上記εは、図７のＳ１６４と同等に設定することができる。

一方で、学習禁止フラグは、上記無駄時間の経過後、即ち、時刻ｔｘ〜ｔ２の期間、及び、時刻ｔｙ以降の期間では“０”に設定される。無駄時間Ｌが経過したことは、制御装置２００に内蔵された図示しないタイマによる計時、或いは、制御装置２００で用いられる内部クロックの周期数のカウントによって検知することができる。

図９の例では、時刻ｔ０〜ｔ１の期間、及び、時刻ｔ２〜ｔ３の期間が「第１の期間」の一実施例に対応し、時刻ｔ１〜ｔｘの期間、及び、時刻ｔ３〜ｔｙの期間が「第２の期間」の一実施例に対応する。

上述のように、無駄時間Ｌは、熱交換器１４０による温度上昇が温度センサ２３０によって検出されるまでの所要時間、即ち、熱交換器１４０から出力された流体（高温水）が温度センサ２３０に達するまでの所要時間に相当するので、流量Ｑに応じて変化する。このため、無駄時間Ｌについても、流量Ｑの検出値から無駄時間Ｌを設定する数式又はテーブルを予め作成することによって、時刻ｔ１又はｔ３時点での流量Ｑの検出値を用いて設定することができる。

このように、第２のＦＦ項が反映された入力熱量による出湯温度Ｔｈが温度センサ２３０で検出されるまでの期間では、学習禁止フラグ＝“１”に設定される。一方で、｜ＦＦ２｜＝０となってからの第１のＦＦ項（ＦＦ１）のみによるフィードフォワード制御が反映された入力熱量による出湯温度Ｔｈが温度センサ２３０で検出される期間では、学習禁止フラグ＝“０”に設定される。

図１０は、第３の変形例に係る学習係数の更新に係る制御処理を説明するフローチャートである。

図１０を参照して、制御装置２００は、図４のＳ１２０において、図１０に示されたＳ１２１〜Ｓ１２３の処理を実行する。

制御装置２００は、学習禁止フラグの値が“１”であるときには（Ｓ１２１のＹＥＳ判定時）、Ｓ１２２により、式（９）においてｒ＝１として、学習係数を更新せずに維持して、当該制御周期での学習係数ｋ［ｎ］を算出する（ｋ［ｎ］＝ｋ［ｎ−１］）。これにより、Ｓ１３０〜Ｓ１５０でのＦＦ制御量の算出は、更新が禁止された学習係数ｋ［ｎ］を用いて実行される。尚、当該学習係数ｋは、運転スイッチのオフ期間を含む給湯運転の非実行中にも維持される。従って、給湯運転開始時における学習係数の初期値には、前回の給湯運転終了時における値が用いられる。

一方で、制御装置２００は、学習禁止フラグの値が“０”であるときには（Ｓ１２１のＮＯ判定時）、Ｓ１２３により、式（９）において、０＜ｒ＜１として、当該制御周期での学習係数ｋ［ｎ］を算出する。学習パラメータｒは、流量が多いほど学習速度が速くなるように、即ち、ｒが小さくなるように、流量Ｑに応じて可変に設定される。流量Ｑの検出値から学習パラメータｒを設定する数式又はテーブルを予め作成することによって、Ｓ１２３では、当該制御周期での流量Ｑの検出値を用いて、学習パラメータｒを設定することができる。

これにより、学習禁止フラグ＝“０”とされる定常状態では、Ｓ１３０〜Ｓ１５０でのＦＦ制御量の算出は、実績に従って更新される学習係数ｋ［ｎ］を用いて実行される。一方で、第２のＦＦ項が影響する出湯温度Ｔｈが検出される過渡状態では、更新が禁止された学習係数ｋ［ｎ］を用いて、フィードフォワード制御が実行される。

このように、第３の変形例によれば、定常状態では実績に基づいて学習係数ｋ［ｎ］を適切に設定することで、出湯温度Ｔｈの制御精度を高めるとともに、第２のＦＦ項によって応答速度が高められる過渡状態では、学習係数ｋ［ｎ］の学習タイミングのずれによって制御精度が低下することを防止できる。

尚、上述の第１〜第３の変形例については、一部又は全部の複数を組み合わせて、本実施の形態に係る給湯装置での給湯温度制御（図４）に適用することが可能である。

図１のようなバイパス配管１２０及びバイパス流量弁１２５が配置された構成では、加熱機構による加熱後にバイパス配管１２０を通過した低温水の混合前における高温水温度Ｔｈｈを目標温度Ｔｈｈ＊に制御するように、入力熱量を制御することも可能である。

この場合には、図１１に示されるように、熱交換器１４０（加熱機構）の下流側において、バイパス配管１２０及び給湯配管１１０の接続点よりも上流側に、高温水温度Ｔｈｈを検出するための温度センサ２４０が追加配置される。高温水温度Ｔｈｈは、加熱機構の出力温度に相当する。又、流量センサ２１０は、熱交換器１４０の通過流量を検出するように配置されることが好ましい。図１１の構成において、バイパス流量弁１２５は「流量調整機構」の一実施例に対応し、温度センサ２４０は「第３の温度検出器」の一実施例に対応する。

この場合に、加熱機構の出側での高温水温度Ｔｈｈを目標温度Ｔｈｈ＊とするための目標号数Ｕｒ［ｎ］については、加熱機構の流量が（１−ｒ）・Ｑであることを考慮すると、下記の式（１０）で求めることができる。即ち、図４のＳ１１０では式（１０）に従って目標号数Ｕｒ［ｎ］を算出して、本実施の形態に係るフィードフォワード制御を実行することも可能である。

Ｕｒ［ｎ］＝（Ｔｈｈ＊−Ｔｃ）・（１−ｒ）・Ｑ／２５ …（１０）
一方で、Ｔｈｈ＝Ｔｈｈ＊に制御した場合に、出湯温度Ｔｈ＝Ｔｒ＊とするためには、全体流量に対するバイパス配管１２０の流量比（バイパス流量比）ｒを用いて、下記の式（１１）が成立する必要がある。

（Ｔｈｈ＊−Ｔｒ＊）・Ｑ・（１−ｒ）＝（Ｔｒ＊−Ｔｃ）・Ｑ・ｒ …（１１）
式（１１）をｒについて解くことにより、バイパス流量比ｒについて、下記の式（１２）が得られる。

ｒ＝（Ｔｈｈ＊−Ｔｒ＊）／（Ｔｈｈ＊−Ｔｃ） …（１２）
式（１２）より得られる、（１−ｒ）＝（Ｔｒ＊−Ｔｃ）／（Ｔｈｈ＊−Ｔｃ）を式（１０）に代入すると、下記の式（１３）が得られる。

Ｕｒ［ｎ］＝（Ｔｈｈ＊−Ｔｃ）・（Ｔｒ＊−Ｔｃ）／（Ｔｈｈ＊−Ｔｃ）・Ｑ／２５
＝（Ｔｒ＊−Ｔｃ）・Ｑ／２５ …（１３）
式（１３）及び式（３）は同一であるので、式（１０）により、高温水温度Ｔｈｈの目標温度Ｔｈｈ＊に従って目標号数Ｕｒ［ｎ］を算出して、本実施の形態に係るフィードフォワード制御を実行した場合にも、給湯設定温度Ｔｒ＊及び全体流量Ｑをベースとする式（３）によって目標号数Ｕｒ［ｎ］を算出したときと同様の制御動作が実現されることが理解される。言い換えると、式（１０）によっても、目標熱量は、入水温度Ｔｗ及び給湯設定温度Ｔｒ＊の温度差と、給湯装置１００全体の流量Ｑとの積に従って設定されることになる。

式（１０）によって算出された目標号数Ｕｒ［ｎ］を用いて本実施の形態に係るフィードフォワード制御を実行した場合にも、上述の第１〜第３の変形例の一部又は全部を組み合わせることが可能である。但し、第１の変形例での式（８）は、熱交換器１４０の流量が（１−ｒ）・Ｑであることを考慮して、下記の式（１４）に変形することが可能である。或いは、Ｕｒ［０］のみについては、式（８）を適用して算出することも可能である。

Ｕｒ［０］＝（Ｔｈｈ＊−Ｔｈｈ）・（１−ｒ）・Ｑ／２５ …（１４）
又、本実施の形態による給湯装置では、給湯配管１１０内の水を加熱するための熱量を発生する「熱源機構」としてガスバーナ１３０を例示したが、本発明の適用はこのような構成に限定されるものではない点を確認的に記載する。すなわち、制御装置２００によって設定され要求発生熱量（入力号数）に応じて発生熱量を制御可能に構成されるものであれば、任意の「熱源機構」を採用することが可能である。たとえば、ガスバーナに代えて、石油を燃焼する石油バーナ、或いは、ヒートポンプ機構等の任意の熱源を適用可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ 給湯装置、１１０ 給湯配管、１２０ バイパス配管、１２５ バイパス流量弁、１３０ ガスバーナ、１４０ 熱交換器、１５０ ガス比例弁、１６０ 流量調整弁、２００ 制御装置、２０１ ＣＰＵ、２０２ メモリ、２０３ Ｉ／０回路、２０４ 電子回路、２０５ バス、２１０ 流量センサ、２２０，２３０，２４０ 温度センサ、Ｆｍａｘ 最大号数、Ｌ 無駄時間、Ｑ 流量、ＱＩ 入力熱量（入力号数）、ＱＯ 出力熱量（出力号数）、Ｔ 時定数（一次遅れ）、Ｔｃ 入水温度、Ｔｈ 出湯温度、Ｔｈｈ 高温水温度、Ｔｈｈ＊ 目標温度（高温水温度）、Ｔｒ＊ 給湯設定温度、Ｔｓ 制御周期、Ｕｒ 目標号数、ｋ 学習係数、ｒ 学習パラメータ。

Claims (7)

1. 給湯装置であって、
   通過する流体を加熱するように構成された加熱機構と、
   前記加熱機構の上流側に配置されて前記給湯装置への入水温度を検出する第１の温度検出器と、
   前記加熱機構の下流側に配置されて前記給湯装置からの出湯温度を検出する第２の温度検出器と、
   前記給湯装置を通過する前記流体の流量を検出する流量検出器と、
   前記入水温度、前記出湯温度、及び、前記流量の検出値に基づき、前記出湯温度が給湯設定温度に整定するように前記加熱機構の入力熱量を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記入水温度の検出値及び前記給湯設定温度の温度差と、前記流量の検出値との積に従う目標熱量に比例した第１のフィードフォワード項と、第２のフィードフォワード項との加算値に従って前記入力熱量を制御し、
   前記第２のフィードフォワード項は、前記目標熱量が変化したときに前記入力熱量の変化幅が前記第１のフィードフォワード項の変化幅よりも大きくなるような極性で、かつ、絶対値が経時的に減少するように算出される、給湯装置。
2. 前記第２のフィードフォワード項は、前回の制御周期からの前記目標熱量の変化量に比例した第１の項と、前記前回の制御周期における前記第２のフィードフォワード項に０より大きく１未満の減衰係数を乗じた第２の項との加算によって算出される、請求項１記載の給湯装置。
3. 前記減衰係数は、前記流量の検出値に応じて、前記入力熱量の変化に対して、前記出湯温度及び前記入水温度の温度差と前記流量との積に従う出力熱量が変化する時定数に従って前記絶対値が減衰するように設定される、請求項２記載の給湯装置。
4. 給湯運転の開始時に、前記第２のフィードフォワード項の初期値を算出する際には、前記前回の制御周期での前記目標熱量は、前記給湯運転の開始時点での前記出湯温度及び前記給湯設定温度の温度差と、前記流量との積に従って算出される、請求項２又は３に記載の給湯装置。
5. 前記加熱機構をバイパスするように前記加熱機構の上流側及び下流側を接続するバイパス配管と、
   前記給湯装置の全体流量に対する前記バイパス配管の流量の比率であるバイパス流量比を調節するための流量調整機構と、
   前記加熱機構の下流側において、前記バイパス配管との接続点よりも上流側に配置されて、前記加熱機構からの出力温度を検出する第３の温度検出器とをさらに備え、
   給湯運転の開始時に、前記第２のフィードフォワード項の初期値を算出する際には、前記前回の制御周期での前記目標熱量は、前記給湯運転の開始時点での前記加熱機構からの前記出力温度及び当該出力温度の目標温度の温度差と、前記加熱機構の流量との積に従って算出される、請求項２又は３に記載の給湯装置。
6. 前記制御装置は、前記入力熱量の計算値が予め定められた最大入力熱量よりも高い場合には、実際の前記入力熱量を前記最大入力熱量に制限するとともに、前記計算値から前記最大入力熱量を減算した超過量の積算値を算出し、当該制限後に前記計算値が前記最大入力熱量よりも低くなった期間において、当該制限中における前記積算値に相当する熱量が前記計算値に加算された入力熱量が設定される期間を設ける、請求項１〜５のいずれか１項に記載の給湯装置。
7. 前記制御装置は、前記第１のフィードフォワード項の算出における前記第１のフィードフォワード項及び前記目標熱量の間の比例係数を、現在の前記出湯温度及び前記入水温度の温度差と前記流量との積に従う出力熱量と、前記入力熱量との間の実績比に従って更新し、
   前記比例係数の更新は、前記第２のフィードフォワード項が予め定められた最小値よりも大きい第１の期間、及び、前記第１の期間の終了から予め定められた時間が経過するまでの第２の期間において禁止され、
   前記第２の期間の長さは、前記流量の検出値に応じて、前記加熱機構から出力された加熱後の流体が前記第２の温度検出器に達するまでの所要時間と同等になるように設定される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の給湯装置。

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