JP2607734Y2

JP2607734Y2 - 給湯器の制御装置

Info

Publication number: JP2607734Y2
Application number: JP1992038508U
Authority: JP
Inventors: 久恭渡辺; 隆金子; 清一森; 尚樹大林
Original assignee: 株式会社ガスター
Priority date: 1992-05-12
Filing date: 1992-05-12
Publication date: 2002-07-08
Anticipated expiration: 2007-05-12
Also published as: JPH0594648U

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、ファジィー制御によっ
て出湯湯温等の制御対象を制御する給湯器およびその制
御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】家庭等に設置される給湯器の燃焼運転は
通常、ＰＩＤ演算によって行われている。このＰＩＤ演
算は、給湯器に供給される水の温度と、給湯量と、給湯
器から出る湯の出湯温度等を検出し、出湯温度が設定温
度に近づくようにＰＩＤ演算により燃焼量（比例弁の開
弁量）を制御し、設定温度の湯を安定に供給しようとす
るものである。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】しかしながら、給湯器
の燃焼運転をＰＩＤ演算により行う場合、特に、給湯器
の初期出湯時に、多量の湯を出湯しようとすると、図６
の曲線Ａに示すように、出湯湯温が設定温度Ｔ_Sになか
なか上がらず、湯温が安定化するまでに長時間かかると
いう問題があり、また、出湯量が小さ過ぎると、同図の
曲線Ｂに示すように出湯湯温が設定温度Ｔ_Sよりも高く
なるオーバーシュートが生じ、次に、設定温度Ｔ_Sより
も湯温の低いアンダーシュートが生じるという如く、湯
温が変動してこれが安定するまで時間がかかるという問
題が生じる。

【０００４】このような湯温の変動をできるだけ抑え、
短時間のうちに湯温を安定化するために、給湯器の初期
出湯時にはフィードフォワード制御により燃焼運転を行
うことも提案されているが、まだ十分満足できるには至
っておらず、その改善が望まれていた。

【０００５】本考案は上記従来の課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、給湯器の初期出湯時
および出湯量変化時における湯温の早期安定化を行うこ
とができる給湯器およびその制御装置を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本考案は上記目的を達成
するために、次のように構成されている。すなわち、第
１の考案の給湯器の制御装置は、制御対象の検出値と予
め与えられた設定値との偏差およびその時間的変化率を
求める偏差・変化率演算部と、この偏差・変化率演算部
によって求められた偏差とその時間的変化率の両方から
所定の制御ルールに基づいたファジィー論理演算により
制御対象を可変制御するアクチュエータの操作変量を演
算するファジィー論理演算部と、制御対象をＰＩＤ制御
するＰＩＤ演算部と、制御対象が所定の条件を満たす安
定領域に入ったときに制御対象の制御をファジィー制御
からＰＩＤ制御へ全面的に切り換える切り換え手段とを
有することを特徴とする。さらに、第２の考案の給湯器
は、供給された水を加熱して所定の給湯場所に出湯する
給湯器において、上記第１の考案の給湯器の制御装置を
備えたことを特徴として構成されている。

【０００７】

【作用】上記構成の本考案において、例えば制御対象を
給湯器の湯温とし、この湯温を制御するときには、給湯
器の出湯湯温が検出手段により検出され、この検出温度
と予め与えられた設定温度（設定値）との偏差Ｅと、そ
の偏差Ｅの時間的変化率ΔＥとが偏差・変化率演算部に
よって求められる。ファジィー論理演算部は、前記求め
られた偏差Ｅとその時間的変化率ΔＥとから所定の制御
ルールに基づいてファジィー論理演算を行い、比例弁等
のアクチュエータに加える操作変量を算出する。そして
その操作変量を加味した制御信号が前記比例弁に加えら
れる結果、ファジィー論理演算値に基づいて燃料のガス
供給量が制御され、ファジィー制御の燃焼運転が行われ
る。

【０００８】

【実施例】以下、本考案の実施例を図面に基づいて説明
する。図１０には本実施例において特徴的な制御装置を
組み込んだ給湯器のシステム構成が示されている。同図
において、燃焼室１の下部側にはバーナ２が配置され、
このバーナ２にはガス供給通路３が接続され、このガス
供給通路３には開弁量によってバーナ２へのガス供給量
を制御するアクチュエータとしての比例弁４と、ガス量
を検出する熱線風速計５が配設されている。バーナ２の
下部側には給排気を行うファン６が設けられており、こ
のファン６にはファン６の回転検出を行う回転検出セン
サ７と風量を検出する熱線風速計８とがそれぞれ配設さ
れている。

【０００９】燃焼室１の上部側には熱交換器10が配設さ
れ、この熱交換器10の入側には給水管11が接続され、こ
の給水管11に給水温度を検出する給水温度センサ12と入
水量（給湯量）を検出する流量センサ13とが設けられて
いる。熱交換器10の出側には給湯管14が接続され、この
給湯管14にはギヤモータの回転によって出湯量を制御す
る出湯量制御弁15と、出湯湯温を検出する出湯温度セン
サ16とが設けられている。そして、これら各センサ５，
７，８，12，13，16の検出信号は制御装置17に加えられ
ており、この制御装置17から各アクチュエータ４，６，
15に制御信号が加えられている。

【００１０】本実施例において特徴的なことは、制御装
置１７に、ファジィー制御手段が組み込まれていること
である。図１にはこの特徴的な制御装置の第１の実施例
のブロック構成がフローチャートを兼用した態様で示さ
れている。同図において、制御装置１７は偏差・変化率
演算部３５と、ファジィー論理演算部３６とを有してお
り、偏差・変化率演算部３５の偏差算出部１８には押ボ
タン操作等により予め与えられる設定温度Ｔｓと所定の
サンプリング時間ごとに検出手段の出湯温度センサ１６
で検出される出湯温度Ｔ_ｃとの情報が加えられており、
偏差算出部１８はこれらの情報により、偏差Ｅ（Ｅ＝Ｔ
_ｓ−Ｔ_ｃ）を算出し、その結果を、偏差グレード算出部
２２に加えている。偏差グレード算出部２２は偏差Ｅの
値と、メモリ２１に予め与えられている図２に示すファ
ジィー変数のメンバーシップ関数とにより、グレードｇ
Ｅを求める。例えば、偏差算出部１８で算出された偏差
がＥ_１であったとき、このＥ_１の縦線とメンバーシップ
関数のＮＢとＮＳとの交点により、グレードｇＥ_１とｇ
Ｅ_２とが求められるが、この実施例ではミニマム演算に
より小さい方のｇＥ_１を偏差Ｅ_１のグレードとして決定
する。

【００１１】一方、前記偏差算出部18で求められた偏差
Ｅの値は変化率算出部19にも加えられており、この変化
率算出部19はメモリ20に与えられている前回のサンプリ
ング時における偏差と今回の偏差との値から偏差Ｅの時
間的変化率ΔＥを算出し、その算出値を変化率グレード
算出部23に加える。変化率グレード算出部23はメモリ24
に予め与えられている図３に示すファジィー変数のメン
バーシップ関数を参照してファジィー変数グレードｇΔ
Ｅを求める。例えば、変化率算出部19から加えられる偏
差Ｅの変化率がΔＥ₁であるときには、この変化率ΔＥ
₁の縦線とメンバーシップ関数のＮＳとＺＯとの交点か
らｇΔＥ₁とｇΔＥ₂とが求められる。このｇΔＥ₁と
ｇΔＥ₂のうち、ミニマム演算により小さい方のグレー
ドを採用するので、変化率ΔＥ₁に対するグレードの値
として、ｇΔＥ₂の値が決定される。

【００１２】変量グレード算出部25は前記偏差グレード
算出部22から加えられる偏差グレードｇＥおよび変化率
グレード算出部23から加えられる変化率グレードｇΔＥ
の値と、メモリ26に予め与えられている制御ルールに基
づき、変量グレードｇΔＶの最小値を算出する。すなわ
ち、メモリ26には表１に示す制御ルールが記憶されてい
る。

【００１３】

【表１】

【００１４】これら制御ルールａ乃至ｋは図５に示す出
湯検出温度Ｔ_Cの時間的変化曲線上のａ乃至ｋの各点に
それぞれ対応する。これら制御ルールは具体的には表２
に示すようにファジィーテーブルとしてまとめられて記
憶されている。

【００１５】

【表２】

【００１６】なお、表１および表２において、Ｚ０は
零、ＮＢは負の方向に大、ＮＳは負の方向に小、ＰＳは
正の方向に小、ＰＢは正の方向に大をそれぞれ意味して
いる。

【００１７】上記例の場合で、制御ルールおよびメモリ
28に予め与えられている図２および図３のファジィー変
数のメンバーシップ関数を用いて変量グレードｇΔＶの
最小値を求めると、次のようになる。まず、偏差がＥ₁
のとき、図２に示すように、Ｅ₁の線がＮＳとＮＢとに
交差しており、したがって、前記表１の制御ルールで、
偏差ＥがＮＳとＮＢにあてはまるものを選ぶと、ｄ，
ｅ，ｉの場合となり、同様に時間的変化率がΔＥ₁のと
き、図３に示すように、ΔＥ₁の線はＮＳとＺ０に交差
していることから、前記表１の制御ルールの中で、偏差
の時間的変化率ΔＥがＮＳとＺ０のものを選ぶと、ｅ，
ｇ，ｉとなり、前記偏差Ｅと、時間的変化率ΔＥの両方
が該当しているものは制御ルールのｅ，ｉとなり、この
制御ルールｅ，ｉを用いて変量グレードｇΔＶが図２お
よび図３のメンバーシップ関数を用いて得られるグレー
ドのミニマム演算によって求められる。

【００１８】すなわち、図４に示すように、グレードｇ
Ｅ_１の横線と制御ルール（ΔＶ＝ＮＳ）によるＮＳの
三角形の線で囲まれる領域ＡＢＣＤが変量面積として求
まり、次に、グレードｇΔＥ_２の横線とＮＳの三角形
とで囲まれる領域ＡＥＦＤが変量面積として求められ
る。そしてこの求められた変量面積の各値は、和集合演
算部29に加えられる。和集合演算部29はＡＢＣＤの領域
とＡＥＦＤの領域との和集合を求める。領域ＡＥＦＤは
領域ＡＢＣＤに含まれるので、この場合は領域ＡＢＣＤ
が和集合演算結果の値（領域）として求められる。この
和集合演算結果に基づき、重心算出部30は面積ＡＢＣＤ
の重心を求め、この重心位置の値ΔＶ_１を出湯温度を設
定温度にするための操作変量として求め、この操作変量
ΔＶ（ΔＶ＝ΔＶ_１）が制御出力算出部37に加えられ
る。

【００１９】制御出力算出部37は設定温度Ｔ_Sに対して
出湯温度Ｔ_Cが高くなったか、あるいは低くなったかに
応じて、アクチュエータとしての比例弁４に加える開弁
量の駆動電流Ｖ₂を前回のサンプリング時における駆動
電流の値Ｖ₁にΔＶ（ΔＶ₁）だけ増減してＶ₂＝Ｖ₁
＋ΔＶ₁の値として算出し、その算出結果Ｖ₂をアクチ
ュエータ駆動回路31に加える。この比例弁駆動電流の算
出は出湯温度のサンプリングの周期ごとに行われる。

【００２０】アクチュエータ駆動回路31は制御出力算出
部37で算出された値の駆動電流をアクチュエータとして
の比例弁４に加え、同比例弁４の開弁量を可変してガス
供給量を制御し、出湯湯温の安定化制御を行う。

【００２１】図６の実線で示すグラフは本実施例のファ
ジィー制御により給湯器の出湯湯温を制御した場合の温
度特性を示したものである。ファジィー制御を行うこと
により、給湯器の初期出湯時において、時間の経過とと
もに、出湯湯温が速やかに立ち上がって短時間のうちに
設定温度Ｔ_Sに到達し、しかも、オーバーシュートやア
ンダーシュートのない安定した湯温制御が可能となって
いる。また、出湯湯温が設定温度に到達した以降の湯温
の安定領域においても、比較的良好な温度特性が得られ
ている。

【００２２】この実施例は、さらにＰＩＤ演算部32と切
り換え手段とを設け、給湯器の初期出湯後、湯温が安定
状態に入ったときに、出湯湯温の制御をファジィー制御
からＰＩＤ制御（本明細書でＰＩＤ制御の用語は、純粋
なＰＩＤ制御の場合と、これにフィードフォワード制御
を併用した場合の両方を含む広い概念で使用している）
に切り換えるようにしている。

【００２３】この実施例における切り換え手段は制御切
り換え判定部33と切り換えスイッチ34とを有して構成さ
れており、制御切り換え判定部33はメモリ26に与えられ
ている制御ルールと変量グレード算出部25の変量グレー
ド算出結果に基づき、表１に示すルールｋの条件になっ
たときであって、かつ、変量グレード算出部25で算出さ
れた変量グレードｇΔＶが１に近くなったとき、つま
り、図４に示すメンバーシップ関数で、ｇΔＶがＺ０の
三角形の頂上Ｐ付近になり、かつ、操作変量ΔＶが零に
近くなったときに、給湯器の出湯湯温が安定状態に入っ
たものと判断し、スイッチ切り換え信号を切り換えスイ
ッチ34に加える。切り換えスイッチ34は制御切り換え判
定部33から切り換え信号が加えられたときに、アクチュ
エータ駆動回路31に加える信号をファジィー制御側から
ＰＩＤ演算部32側の信号に切り換え、出湯湯温が安定し
た以降はＰＩＤ演算制御により燃焼制御を行うものであ
る。

【００２４】給湯器の初期出湯時には、ファジィー制御
により出湯湯温を制御することによって、ＰＩＤ制御の
場合に比べ、図６に示したように、応答性が速く、か
つ、オーバーシュートやアンダーシュートのない良好な
湯温制御を達成することができるのであるが、湯温が安
定化領域に入った以降もファジィー制御を引き続き行っ
た場合、湯温の安定化領域における湯温変化の状態を拡
大すると、図９の点線で示すように多少、湯温変化が生
じている。もちろん、メンバーシップ関数のラベル数を
多くし、きめ細かなファジィー推論を行えば、このよう
な湯温の変動を防止できるのであるが、ファジィー推論
をきめ細かく行うと、多くのメンバーシップ関数を記憶
する大容量のメモリが必要となり、装置構成も複雑とな
って装置コストが高くなるという問題が生じる。湯温が
安定化領域に入った後には、むしろ、ＰＩＤ演算によっ
て湯温の制御を行う方が簡易な装置構成でより安定した
湯温制御を行い得る点で好ましい。この実施例では、湯
温が安定化領域に入ったものと判断されたときに、ファ
ジィー制御からＰＩＤ制御に移行するので、図９の実線
で示すように、湯温の変動が抑制され、より安定した出
湯湯温の制御が可能となる。

【００２５】図８には本考案の第２の実施例が示されて
いる。この実施例も、前記した第１の実施例と同様に、
給湯器の初期出湯時にはファジィー制御により出湯湯温
の制御を行い、出湯湯温が安定した後に、ファジィー制
御からＰＩＤ制御に切り換えるように構成したものであ
る。この実施例は、前記第１の実施例と同様に、制御切
り換え判定部33と切り換えスイッチ34とを備えている
が、給湯器の初期出湯時から湯温が安定領域に入ったこ
とを判断する制御切り換え判定部33をメモリ26の制御ル
ールと、偏差グレード算出部22によって算出された偏差
グレードｇＥと、変化率グレード算出部23によって算出
された変化率グレードｇΔＥに基づき判定するように構
成したものであり、それ以外の構成は前記第１の実施例
と同様である。

【００２６】前記制御切り換え判定部33はメモリ26に予
め与えられている制御ルールｋの条件が満たされ、か
つ、グレードｇＥが１に近い値となり、かつ、グレード
ｇΔＥが１に近い値となったときに、ファジィー制御に
よる湯温が安定状態に至ったものと判断し、切り換えス
イッチ34に切り換え信号を加える。この切り換え信号を
受けて、切り換えスイッチ34はアクチュエータ駆動回路
31に加える信号を重心算出部30の信号からＰＩＤ演算部
32の信号に切り換える結果、比例弁４はＰＩＤ演算によ
り開弁量が制御されて、給湯器の出湯湯温の制御が行わ
れるのである。

【００２７】この第２の実施例の場合も、前記図９の実
線に示すように、湯温の安定領域において、湯温変動の
ほとんどないきめ細かな制御を行うことができることと
なる。

【００２８】なお、本考案は上記各実施例に限定される
ことはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上
記各実施例では、操作変量算出部27によって算出された
操作変量の和集合を求め、この和集合の重心位置により
操作変量ΔＶを求めたが、操作変量算出部27によって算
出された操作変量に基づき、その積集合を求め、この積
集合の重心位置から操作変量ΔＶを求めるようにしても
よい。

【００２９】また、上記各実施例ではファジィー変数
（メンバーシップ関数）の形状を三角形状のものとした
が、このファジィー変数は図７に示すように、釣り鐘状
の形状のものでもよく、実施例以外の様々な形状のファ
ジィー変数を用いてファジィー推論を行うことができ
る。

【００３０】さらに、上記各実施例では制御対象を出湯
湯温とし、アクチュエータとして比例弁４を制御するよ
うにしたが、表３に示すように、制御対象を出湯量、フ
ァン回転数、バーナ２に加えるガス流量、ファンの空気
流量等を制御対象としてもよい。この場合に、例えば、
出湯量制御を行う場合には、流量センサ13によって出湯
量を検出し、この検出出湯量と設定出湯量によって偏差
およびその偏差の時間的変化率を求め、アクチュエータ
としてのギヤモータを制御すればよく、また、ファン６
の回転数制御を行う場合は、回転検出センサ７によりフ
ァン６の回転数を検出し、この検出回転数と設定回転数
とによる偏差とその時間的変化率を求め、ファン６をア
クチュエータとしてファン回転数を制御するようにして
もよく、あるいは、制御対象としてガス流量を制御する
場合には、熱線風速計５によってバーナ２に供給するガ
ス流量を検出し、この検出ガス流量と設定ガス流量との
値から偏差とその時間的変化率を求めてアクチュエータ
としての比例弁４の開弁量を制御するようにしてもよ
く、さらには、ファン６の空気量を制御対象とする場合
は、熱線風速計８によってファン６の空気量を検出し、
この検出空気量と設定空気量とから同様に偏差およびそ
の時間的変化率を求め、アクチュエータとしてのファン
６の回転制御を行うようにしてもよく、本考案の制御装
置を適用して給湯器の様々な制御対象を制御することが
できる。

【００３１】

【表３】

【００３２】さらに本実施例では差分（操作変量ΔＶ）
を求めて、これを制御出力算出部37に加え、この制御出
力算出部37でアクチュエータの駆動出力を求めている
が、この駆動出力（絶対値）を直接ファジィー推論によ
って求めてアクチュエータを駆動制御するようにしても
よい。この場合は図２，図３，図４の横軸の零点は左端
になる。

【００３３】

【考案の効果】本考案は制御対象の検出値と設定値との
偏差とその時間的変化率を求め、偏差とその変化率との
両者を考慮したファジィー論理演算により制御対象を制
御するように構成したものであるから、給湯器の出湯湯
温を制御するような場合にあっては、給湯器の初期出湯
時における湯温を迅速に、しかも、オーバーシュートや
アンダーシュートの大きな湯温変動を生じることなく、
設定温度に安定化させることができ、温度特性の大幅な
改善が図れることになり、また、偏差とその変化率の一
方のみから操作変量を求める場合に比べ、制御精度が高
まり、制御の信頼性を十分に高めることができる。さら
に、ファジィー論理演算部により操作変量が求められる
毎に前回の操作量に今回の演算により得られた操作変量
を加算した値をアクチュエータの操作量として出力する
構成とすることにより、フィードバック制御とは異なる
制御となり、特に、運転開始の初期段階で生じるフィー
ドバック制御の不安定要因を取り除くことができるの
で、制御精度を高めた安定した運転制御が可能となる。

【００３４】また、制御対象が初期動作から安定領域に
入ったときに、制御対象をファジィー制御からＰＩＤ制
御に切り換えるように構成したので、給湯器の初期動作
から安定動作状態の広範囲の領域で制御対象をより正
確、かつ、安定に制御することができ、給湯器の制御性
能を格段に高めることができる。もちろん、メンバーシ
ップ関数のラベル数を多くし、きめ細かなファジィー推
論を行えば、安定領域においても正確な制御が可能とな
るが、ファジィー推論をきめ細かく行うと、多くのメン
バーシップ関数を記憶する大容量のメモリが必要とな
り、装置構成も複雑となって装置コストが高くなるとい
う問題が生じる。制御が初期領域（初期の不安定領域）
から安定化領域に入った後には、むしろ、ＰＩＤ演算に
よって制御を行う方が簡易な装置構成でより安定した湯
温制御を行い得る点で好ましい。この点に着目し、上記
の如く、制御が安定化領域に入ったものと判断されたと
きには、ファジィー制御からＰＩＤ制御へ自動的に移行
する構成を備えることによって、ファジィーの構成を簡
易化するにも拘らず初期領域から安定化領域に至る全領
域に亙って安定した高性能の制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係る給湯器の制御装置の要部構成を示
すブロック図である。

【図２】同実施例のファジィー推論によってグレードｇ
Ｅを求めるメンバーシップ関数の説明図である。

【図３】同実施例のファジィー推論によってグレードｇ
ΔＥを求めるメンバーシップ関数の説明図である。

【図４】同実施例のファジィー推論によってグレードｇ
ΔＶを求めるメンバーシップ関数の説明図である。

【図５】同実施例における温度検出値の時間的変化を示
すグラフである。

【図６】同実施例における給湯器の出湯温度特性を従来
例との比較状態で示す説明図である。

【図７】ファジィー推論を行うメンバーシップ関数の他
の形状の説明図である。

【図８】本考案の第２の実施例を示すブロック構成図で
ある。

【図９】前記第１および第２の実施例の温度特性を湯温
安定領域におけるファジィー制御の場合との比較状態で
示すグラフである。

【図10】本実施例における給湯器のシステム図である。

【符号の説明】

４比例弁 16 出湯温度センサ 18 偏差算出部 19 変化率算出部 20，21，24，26，28 メモリ 22 偏差グレード算出部 23 変化率グレード算出部 25 変量グレード算出部 27 操作変量算出部 29 和集合演算部 30 重心算出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者森清一神奈川県大和市深見台３丁目４番地株式会社ガスター内 (72)考案者大林尚樹神奈川県大和市深見台３丁目４番地株式会社ガスター内 (56)参考文献特開平３−36421（ＪＰ，Ａ) 特開平４−3850（ＪＰ，Ａ) 特開平４−52454（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F24H 1/10 302

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】制御対象の検出値と予め与えられた設定
値との偏差およびその時間的変化率を求める偏差・変化
率演算部と、この偏差・変化率演算部によって求められ
た偏差とその時間的変化率の両方から所定の制御ルール
に基づいたファジィー論理演算により制御対象を可変制
御するアクチュエータの操作変量を演算するファジィー
論理演算部と、制御対象をＰＩＤ制御するＰＩＤ演算部
と、制御対象が所定の条件を満たす安定領域に入ったと
きに制御対象の制御をファジィー制御からＰＩＤ制御へ
全面的に切り換える切り換え手段とを有する給湯器の制
御装置。
【請求項２】供給された水を加熱して所定の給湯場所
に出湯する給湯器において、請求項１記載の制御装置を
備えたことを特徴とする給湯器。