JP2726547B2 - 流体加熱制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、流体加熱器と、その流体加熱器の出口側に
おける被加熱流体の目標温度を設定する目標温度設定手
段と、前記流体加熱器の出口側における被加熱流体の出
口温度を検出する温度検出手段とが設けられ、前記目標
温度と出口温度との偏差に基づいて前記流体加熱器の加
熱量を比例要素及び積分要素による演算するフィードバ
ック演算手段と、前記被加熱流体の出口温度が前記目標
温度になるように前記流体加熱器の加熱状態を制御する
制御手段とが設けられた流体加熱制御装置に関する。

〔従来の技術〕

流体加熱器としては、例えば、給湯装置を挙げること
ができる。

従来、給湯装置等においては、いわゆるPID制御によ
り加熱量を調節するようになっていた。つまり、前記偏
差と加熱量との関係は線形となるものであった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、外乱が発生したときにオーバーシ
ュートやハンチングを起こしやすいものであった。

説明を加えると、流量の変化や目標温度の設定変更等
の外乱が発生したときは、その外乱によって生じた前記
偏差を解消すべく流体加熱器の加熱量を調節するのであ
るが、応答性を高めるためには制御ゲインを大きくする
必要がある。しかし、給湯装置等においては、比較的大
きなむだ時間が存在するため、制御ゲインが大きい場合
には、オーバーシュートが大きくなり、ハンチングを生
じる虞があった。

ところで、応答性を改善しながらしかもハンチング等
を抑制する方法としてファジイ制御を用いることが考え
られる。

しかし、ファジイ推論のみによって流体加熱器の加熱
量を調節する場合には、過渡的に特性だけでなく定常特
性も考慮して制御ルール等を作成する必要があり、流体
加熱制御装置の設計製作に手間がかかるものとなる。

本発明の目的は、上記従来欠点を解消して過渡特性及
び定常特性が共にすぐれ、しかも比較的製作の容易な流
体加熱制御装置を得る点にある。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明の流体加熱制御装置
の特徴構成は、前記偏差の時間的変化量を演算する微分
演算手段と、ファジイ推論におけるメンバーシップ関数
を設定記憶する記憶手段と、前記偏差と時間的変化量に
基づいて前記メンバーシップ関数を用いて前記加熱量を
推論する推論手段とが設けられ、前記制御手段は前記フ
ィードバック演算手段の出力と前記推論手段の出力との
和に基づいて前記流体加熱器の加熱状態を制御するよう
に構成されていることである。

〔作 用〕

フィードバック演算手段に比例要素と積分要素を含ま
せることにより比較的容易に定常偏差を小さくすること
ができる。

一方、ファジイ推論においては、前記偏差とその偏差
の時間的変化量をファジイ変数として過渡特性を改善す
る制御ルールを作成する。例えば、前記偏差や前記時間
的変化量の大きさや符号により制御ゲインを変化させる
等の非線形な制御を行うことにより過渡特性を改善する
ことができる。

つまり、外乱の小さい定常状態においては、主として
フィードバック演算手段によって、外乱の発生した過渡
状態においては主として推論手段によって、夫々流体加
熱器の加熱状態の制御を行うのである。

〔発明の効果〕

従って、定常特性を良好に保つフィードバック制御と
オーバーシュートに起因するハンチングの回避に有効な
ファジイ制御とを組合せることにより、定常特性及び過
渡特性が共にすぐれ、しかも比較的簡易に設計・製作す
ることができる流体加熱制御装置が得られるに至った。

〔実施例〕

以下、本発明を流体加熱制御装置の一例としての給湯
制御装置に適用した実施例について図面に基づいて説明
する。

第６図に示すように、バーナ（１）とそのバーナ
（１）により加熱される水加熱用の熱交換器（２）とを
備えた流体加熱器（Ｋ）が、給湯栓（４）に給湯路
（３）を介して接続されている。図中（６）は熱交換器
（２）に対する給水路である。

前記バーナ（１）に対する燃料ガス供給路（８）に
は、燃料ガス供給を断続する二つの開閉弁（９），（1
0）、及び燃料ガス供給を調整する電磁式のガス量調整
弁（11）が介装されている。

前記給水路（６）には、熱交換器（２）に通水された
か否かを検出する水流スイッチ（12）が介装されてい
る。

前記給湯路（３）には、熱交換器（２）の出口温度
（T_o）を検出する温度検出手段としての湯温センサ（1
3）が介装されている。

尚、図中（14）はイグナイタ、（15）はバーナ（１）
が着火したか否かを検出するフレームロッド、（16）は
燃焼用ファンである。

そして、これらは夫々制御装置（Ｈ）に接続されてい
る。

又、制御装置（Ｈ）に制御情報を指令するリモートコ
ントローラ（Ｒ）が設けられ、このリモートコントロー
ラ（Ｒ）には、給湯運転の開始・停止を指令する運転ス
イッチ（20）と、運転ランプ（21）と、バーナ（１）が
燃焼中であるときに点灯する燃焼ランプ（22）と、目標
温度を設定する目標温度設定手段としての目標温度設定
器（23）とが備えられている。

制御装置（Ｈ）の構成について説明を加えると、第１
図に示すように、リモートコントローラ（Ｒ）からの指
令情報や水流スイッチ（12）等の検出情報に基づいて給
湯運転の制御を指令する制御指定部（23）、目標温度
（T_s）と出口温度（T_o）との偏差（en）に基づいてバー
ナ（１）の燃焼量及び燃焼用ファン（16）の回転数を演
算するフィードバック演算手段としてのフィードバック
演算部（26）、前記偏差（en）の時間的変化量（en′）
を演算する微分演算手段としての微分演算部（27）、フ
ァジイ推論におけるメンバーシップ関数を設定記憶する
記憶手段（28）、及び前記偏差（en）と時間的変化量
（en′）に基づいて加熱量を推論する推論手段としての
推論部（29）とが設けられている。

フィードバック演算部（26）には、比例要素と積分要
素とが備えられ、フィードバック演算部（26）の出力
（Y₁）は下記式で求められる。

Y₁＝Kp＊en＋Ki＊Σen ……（１） ここで、Kp及びKiは係数である。

次に、ファジイ推論方法について説明する。

制御ルールの前件部を第３図及び第４図に、制御ルー
ルの後件部を第５図に夫々示す。前件部は、前記偏差
（en）及び前記時間的変化量（en′）を夫々ファジイ係
数とするメンバーシップ関数（A_i），（B_j）の形で表現
されている。後件部は、バーナ（１）の最大燃焼量を10
0としたときの燃焼量の一秒間当たりの変化量（f_ij）を
マトリクスで示したものである。ここでi,jは０〜６の
整数である。

ちなみに、制御ルールは、熱交換器（２）の１分間当
りの通水量として12（）,8（）,4（）の３つの値
を代表値として選び、上記のいずれかの通水量から他の
いずれかの通水量に変化したときの出口温度（T_o）の過
渡特性からそれに対応する前記変化量（f_ij）を実験的
に求めることにより設定される。

例えば、第５図中（R₁）は、前記通水量が12→４（
/min）、12→８（/min）、８→４（/min）のように
減少した場合に、出口温度（T_o）がオーバーシュートす
るのを抑制すると共にオーバーシュート後のアンダーシ
ュートを抑制するための制御ルールに対応する。又、
（R₂）は、前記通水量が４→８（/min）、８→12（
/min）、４→12（/min）のように増大した場合に、出
口温度（T_o）がアンダーシュートするのを抑制すると共
にアンダーシュート後のオーバーシュートを抑制するた
めの制御ルールに対応する。又、（R₃）は、点火時に出
口温度（T_o）がオーバーシュートするのを抑制しながら
も立上り特性を改善するための制御ルールに対応する。

推論部（29）における出力（Y₂）の推論の手順は以下
の通りである。

（ｉ）前記偏差（en）及び前記時間的変化量（en′）に
基づいて夫々のメンバーシップ関数（A_i），（B_j）に対
するメンバーシップ値（M_i），（M_j）を求める。

（ii）各後件部に体する適合度（h_ij）を前記メンバー
シップ値（M_i），（M_j）の小さい方の値とする。つま
り、 h_ij＝M_i∧M_j ……（２） となる。

（iii）次に、前記変化量（f_ij）と前記適合度（h_ij）
の荷重平均により推論結果（Ｗ）を求める。つまり、 となる。

（iv）そして、前記推論結果（Ｗ）の時間積分が推論部
（29）の出力（Y₂）となる。つまり、 Y₂＝∫Wdt である。

制御装置（Ｈ）の出力は、フィードバック演算部（2
6）の出力（Y₁）と推論部（29）の出力（Y₂）との和と
なる。

すなわち、制御装置（Ｈ）を利用して制御手段（10
0）が構成されている。

次に、第２図（イ），（ロ）に示すフローチャートに
基づいて制御装置（Ｈ）の作動について説明する。尚、
燃焼用ファン（16）の制御については省略する。

先ず、運転スイッチ（20）の情報に基づいて給湯の要
否が判別され、給湯不要の場合には、現在まで給湯中で
あるか否か判別される。現在まで給湯中でない場合には
そのままリターンする。また、現在まで給湯中である場
合には、消火処理を実行したのちにリターンする。

給湯要が判別された場合には、水流スイッチ（12）の
情報に基づいて給湯栓（４）が開であるか否か判別され
る。給湯栓（４）が閉の場合には、現在まで給湯中であ
るか否か判別され、現在まで給湯中でない場合にはその
ままリターンし、又、現在まで給湯中である場合には、
消化処理を実行したのちにリターンする。

前述の判別で給湯栓（４）が開であることが判別され
ると、点火中であるか否かが判別されることになり、点
火中でない場合にのみ、バーナ（１）に着火する点火処
理が実行される。

そして、設定目標温度（T_s）に維持するように、バー
ナ（１）の加熱量を制御する給湯温度制御が実行され
る。

給湯温度制御について説明すると、所定時間（例えば
0.1sec）毎に前記偏差（en）が求められ、（１）式に基
づいてフィードバック演算部（26）の出力（Y₁）が演算
される。

また、所定時間（例えば1sec）毎に偏差（en）と前記
所定時間以前の偏差（en−１）に基づいて偏差の時間的
変化量（en′）が求められる。次に、前述のように
（２）式に基づいて適合度（h_ij）を求め、更に（３）
式に基づいて推論結果（Ｗ）を求める。

そして、推論結果（Ｗ）の時間積分出力（Y₂）と、前
記フィードバック制御部（26）の出力（Y₁）との和によ
ってガス量調整弁（11）を作動させるのである。

〔別実施例〕

上記実施例では、ファジイ推論における制御ルールの
前件部を連続関数として、後件部を離散値として表現し
たが、いずれも連続関数とする等メンバーシップ関数の
構成は各種変更できる。

上記実施例では、推論結果（Ｗ）の積分を推論部（2
9）の出力（Y₂）としていたが、推論結果をそのまま推
論部（29）の出力としてもよい。

上記実施例では、給湯制御装置に適用した場合を示し
たが、暖房装置等にも適用できる。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にする
為に符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構
造に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る流体加熱制御装置の実施例を示し、
第１図は制御構成のブロック図、第２図（イ），（ロ）
は制御作動のフローチャート、第３図乃至第５図は制御
ルールの説明図、第６図は給湯装置の全体概略図であ
る。 （13）……温度検出手段、（23）……目標温度設定手
段、（26）……フィードバック演算手段、（27）……微
分演算手段、（28）……記憶手段、（29）……推論手
段、（100）……制御手段、（Ｋ）……流体加熱器、（T
_o）……出口温度、（T_s）……目標温度、（en）……偏
差、（en′）……時間的変化量。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体加熱器（Ｋ）と、その流体加熱器
   （Ｋ）の出口側における被加熱流体の目標温度（T_s）を
   設定する目標温度設定手段（23）と、前記流体加熱器
   （Ｋ）の出口側における被加熱流体の出口温度（T_o）を
   検出する温度検出手段（13）とが設けられ、前記目標温
   度（T_s）と出口温度（T_o）との偏差（en）に基づいて前
   記流体加熱器（Ｋ）の加熱量を比例要素及び積分要素に
   より演算するフィードバック演算手段（26）と、前記被
   加熱流体の出口温度（T_o）が前記目標温度（T_s）になる
   ように前記流体加熱器（Ｋ）の加熱状態を制御する制御
   手段（100）とが設けられた流体加熱制御装置であっ
   て、 前記偏差（en）の時間的変化量（en′）を演算する微分
   演算手段（27）と、ファジイ推論におけるメンバーシッ
   プ関数を設定記憶する記憶手段（28）と、前記偏差（e
   n）と時間的変化量（en′）に基づいて前記メンバーシ
   ップ関数を用いて前記加熱量を推論する推論手段（29）
   とが設けられ、前記制御手段（100）は前記フィードバ
   ック演算手段（26）の出力（Y₁）と前記推論手段（29）
   の出力（Y₂）との和に基づいて前記流体加熱器（Ｋ）の
   加熱状態を制御するように構成されている流体加熱制御
   装置。