JPH02187557A - 給湯器の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、フィードフォワード制御によって決定された
制御量を、所定時間毎に読込まれる温度検知素子の温度
情報に基づいてフィードバック制御によって補正して常
に制御量を更新する、主にマイクロコンピュータ（マイ
コン）による給湯器の温度制御装置に関し、特に温度検
知素子の検知遅れによる応答遅れの改良に関する。

［従来の技術］ 給湯器の温度制御装置では、例えば実開昭６１−２１２
４０号公報、特開昭６３−８３５４４号公報等に示され
るように、フィードフォワード制御の出力をフィードバ
ック制御の出力により補正するものがある。

これらの温度制御装置では、マイクロコンピュータ（マ
イコン）による制御が行われることが前提とされていて
、温度センサによる温度に応じた電圧信号をディジタル
信号に変換し、その温度情報に基づいて、各制御が行わ
れる。

また、一般にこうしたフィードバック制御では、単に出
湯温度と設定温度との偏差による比例動作の制御のみで
なく、給湯量の変更や熱交換器内への入水温度の変化等
の外乱があった場合にも、出湯温度に変化が少なく、応
答遅れのないようにするために、微分動作を組み合わせ
たＰＤ動作（比例士微分動作）によって制御することに
よって、応答性に優れた出湯温度特性が得られる。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、温度を検知するサーミスタの検知温度信号をデ
ィジタル信号にＡＤ変換してマイコンに入力するとき、
例えば、温度情報が０．ｌ５ｅＣ周期で読取られる場合
には、比例動作では、サーミスタ等の温度検知素子によ
って検知される被測定温度としての出湯温度が、０．５
℃稈度の差で検出できればよいが、出湯温度の変化によ
る微分動作を確実に行うためには、サーミスタによる検
知温度について、例えば０．０３℃程度まで細分化され
て、その差が検出される必要がある。

このため、このように細分化してマイコンに入力するに
は、サーミスタの検知温度信号をディジタル信号にＡＤ
変換して入力するための入力ボートが多数必要になり、
マイコンのハードの負担が多くなる。また、ボート数の
増加数に応じてプログラムも同時に複雑になるため、開
発期間が長くなり開発費用が増大するという問題がある
。

本発明は、温度変化に対応して速やかに温度調節ができ
、優れた温度特性が得られるとともに、そのためのフィ
ードバック微分制御を簡単な構成によって確実に行うこ
とができ、開発における費用や期間等の負担を減少させ
ることができる給湯器の温度制御装置を提供することを
目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記の目的を達成するために、熱交換器へ供
給される水量を検知する水量検知手段と、前記熱交換器
への水の流入温度を検知する入水温度検知手段と、前記
熱交換器から流出する湯水の流出温度を検知する流出温
度検知手段とを備え、前記水量検知手段によって検知さ
れる水量と前記入水温検知手段によって検知される流入
温度とを所定時間毎に読取り、目標温度に応じた加熱量
を決定するフィードフォワード制御手段と、前記流出温
度と前記目標温度との偏差に基づいて、前記フィードフ
ォワード制御手段で決定された前記加熱量を所定時間毎
に補正して更新するフィードバック制御手段とにより加
熱量を制御する給湯器の温度制御装置において、前記フ
ィードバック制御手段は、前記流出温度検知手段の検知
温度を所定時間毎に読取り、該所定時間における温度差
を求める温度差算・山部と、該温度差に基づいて前記流
出温度の微分値を推定する微分値推定部とを有し、前記
フィードフォワード制御手段で決定された前記加熱量を
該微分値に基づいて所定時間毎に補正して更新すること
を技術的手段とする。

［作用］ 本発明の給湯器の温度制御装置では、水量検知手段の検
知する水量と、入水温検知手段の検知する流入温度とが
所定時間毎に読取られ、フィードフォワード制御手段に
よる加熱量が決定される。

一方、流出温度検知手段によって検知される流出温度は
所定時間毎に読取られ、温度差算出部により所定時間に
おける検知温度の温度差が求められ、さらにこの温度差
に基づいて微分値推定部によって流出温度の微分値が推
定される。

そして、フィードフォワード制御手段により決定された
加熱量は、流出温度と目標温度との偏差と、推定された
微分値とに基づいて所定時間毎に、フィードバック制御
手段によって補正され更新される。従って、一定流量で
給湯が行われると、流出温度は次第に目標温度に接近す
る。

給湯中に、給湯量が変更されると、流出温度が変化する
。この変化は、検知温度に対して応答遅れを伴って現れ
るが、流出温度の微分値は、検知温度の温度差から求め
られるため、応答遅れを加味することによって実際の流
出温度の微分値を算出することができる。従って、加熱
量を速やかに変更することができる。

［発明の効果］ 本発明では、所定時間における検知温度の温度差に基づ
いて流出温度の微分値が推定される。このため、流出温
度検知手段の検知温度を読取るための入力装置における
温度に対する細分化は、所定時間をおいて読取られたと
きに、検知温度の変化が識別できる程度であればよいた
め、比例制御に必要な程度の細分化をするだけで、フィ
ードバック微分制御を備えた応答性のよい温度制御を、
マイコンによって達成することができる。従って、流出
温度検知手段によって検知される検知温度信号をＡＤ変
換してディジタル信号にするに際して、ボート数を多数
にする必要がないため、マイコンのハードにおける負担
を少なくすることができる。

また、それを処理するためのプログラムが簡略化される
ため、システムの開発期間が短縮でき、開発費用を削減
することができる。

また、上記の推定された微分値に基づいてフィードバッ
ク制御において微分制御が行われるため、流出温度検知
手段の検知遅れの影響を受けることなく、流出温度の変
化に対して速やかに反応して、加熱量を変更することが
でき、優れた応答性を得ることができる。

［実施例］ 次に本発明の給湯器の温度制御装置を、実施例に基づき
説明する。

第２図にそのＷ４略を示すガス給湯器１では、給湯器ケ
ース１０の内部にバーナプレート１１が配され、給湯器
ケース１０によって燃焼室１０ａと混合室１０ｂが形成
されて、給湯器ケース１０の下方に、燃焼用空気を供給
する送風８１１２を備えている。送風機１２は、スクロ
ールケーシング１２ａ内に羽根車１２ｂを備え、図示し
ないモータによって羽根車１２ｂを回転駆動する。

スクロールケーシング１２ａには燃料ガスを噴出するノ
ズル１３が設けられ、給湯器ケース１０およびバーナプ
レート１１は、送風機１２によって供給される一次空気
のみで燃焼する全−次空気燃焼器を形成し、燃焼ガスは
図示しない排気口から給湯器ケース１０外へ排出される
。

燃焼室１０ａ内には、バーナプレート１１の近傍に、火
花放電を行うスパーカ電極１４、炎検知のためのフレー
ムロッド１５が設けられている。

また燃焼室１０ａ内には、図示しない水供給源および給
湯口とそれぞれ接続された熱交換器１６が設けられ、熱
交換器１６の」ユ流には、熱交換器１６へ流入する水の
流量と水温をそれぞれ検知する流量センサ１７と入水温
サーミスタ１８が、熱交換器１６の下流には、加熱され
た湯水の温度を検知するための出湯温サーミスタ１９が
それぞれ備えられている。

なお混合室１０ｂ内には、送風機１２によって供給され
る混合気を均等にバーナプレート１１へ供給するために
、多数の穴が設けられた整流板１０ｃが配されている。

燃料ガスをノズル１３へ供給する燃料管２０には、上流
側から順に元電磁弁２１、主電磁弁２２、燃料ガスの下
流側の圧力を電流値に応じて調節するガバナ比例弁２３
、燃料ガスを遮断するための電磁弁２４がそれぞれ設け
られ、電磁弁２４の上流と下流とはオリフィス２５を備
えたバイパス管２０ａによって連通されている。オリフ
ィス２５は絞り性能を高めるために設けられたもので、
電磁弁２４が閉状態の場合には、ノズル１３に代わって
オリフィス２５によって燃料供給量が制限され、小燃焼
量が得られる。

制御装置４０は、第１図に示すとおり、マイクロコンピ
ュータ（マイコン）としての中央処理装置（ＣＰＵ）５
０、ＲＯＭ４１、ＲＡＭ４２、各センサおよびサーミス
タからのアナログ信号を処理するためのマルチプレクサ
やディジタル信号に変換するためのＡＤ変換器等を有す
る入力インターフェース４３、出力インターフェース４
４を主構成とし、使用者によって操作され希望する出湯
温度を設定するためのコントローラ４０ａと図示しない
安全回路を備え、点火制御、燃焼制御の各制御を行う。

ＣＰＵ５０は、ＲＯＭ４１内のプログラムによつて必要
な各制御動作を行うもので、入力インターフェース４３
からの各入力に基づいた演算処理を行い、演算結果に応
じて出力インターフェース４４を介して、各部を次のと
おり駆動制御する。

点火制御では、流量センサ１７による通水信号が伝えら
れると、予め設定されたシーケンスで送風機１２、スパ
ーカ電極１４、元電磁弁２１、主電磁弁２２をそれぞれ
制御して点火を行う。

燃焼制御では、各サーミスタの抵抗値から得られる温度
信号と、熱交換器１６を通過する水量に応じて発生され
る流量センサ１７からのパルス信号およびコントローラ
４０ａによる設定温度に基づいて燃焼量Ｑを決定し、こ
の決定された燃焼量Ｑに基づいて送風機１２、電磁弁２
４、ガバナ比例弁２３を制御する。

ここでは、第１図に示すとおり、出湯温サーミスタ１９
で検知される検知温度を処理するための機能部として、
実際の出湯温度を推定する温度推定部５１と、出湯温度
の微分値を推定する微分値推定部５２の各機能部とを備
え、これらの推定された微分値に基づいて、燃焼制御動
作を行って、給湯量が変更された場合に、出湯温サーミ
スタ１９の応答遅れによって、出湯温度が不安定になら
ないように、その変化をできる限り少なくしている。

一般に、サーミスタにより検知される検知温度には被測
定温度に対して応答遅れがある。

このため、温度推定部５１では、出湯温サーミスタ１９
の検知温度の変化を利用して、実際の出湯温度を推定す
るものである。

すなわち、出湯温サーミスタ１９で検知されて、読取ら
れる検知温度Ｔ（ｔ）は、熱交換器１６から流出する実
際の湯温ＴＯｕｔに対して応答遅れがあり、給湯量の変
更等によって、例えば第３図において、時間ｔ１に湯温
ＴＯｕｔが破線Ａに示すように湯温ＴＯからＴａへ変化
したとすると、実線日の出湯温サーミスタ１９の応答遅
れは、一般に、Ｔ　ａ−Ｔ　（ｔ　）　”　（Ｔａ−Ｔ
Ｏ）　ｅＸｐ　−”’の関係で示される。（τはサーミ
スタの時定数）ここで、各位を時間ステップｔの漸化式
に直して示すと、 実際の湯温’ｒｏｕｔは、 ・・・、Ｔｏｕｔ　ｎ−２、Ｔｏｕｔ　ｎ−１、Ｔｏｕ
ｔ　ｎ検知温度Ｔ（ｔ）は、 ・・・、Ｔｎ−２、Ｔｎ−１、Ｔｎ となり、また出湯温サーミスタ１９による検知温度によ
る温度差ΔＴｎは、 ΔＴ　ｎ　＝Ｔｎ　−’ｌ’ｎ−１ であるため、前各式を湯温’ｒｏｕｔ　ｎについて整理
すると、 Ｔａｕｔ　ｎ　＝Ｔｎ−１＋　（ｅｘｐ　”’　−１）
　−’ｘΔＴｎここで、ｌ’６）ｔｐ　ｔ／′ｌ　、は
、通常１より大きな定数となり、時間ステップｔがｔ＝
０．１秒の場合には、定数ｒ＝　（ｅｘｐ　”　−１＞
−’は、ｒ＝１０程度とな・るため、 １”０ＬＩｔ　ｎ　＝＝’ｌ”ｊｌ−１＋１０　ＸΔＴ
ｎの関係が得られ、これを今回の湯温’ｒｏｕｔ　ｎと
しての推定値とする。

従って、本実施例では、時間ｔｎにおける検知温度１゛
ｂを湯温とするのではなく、前回の時間ステップｔの検
知温度Ｔｎ−１と、温度差ΔＴｎとから求めた推定温度
Ｔｏｕｔｎを実際の湯温と見なす。

また、微分値推定部５２は、通常、・一定の時間ステッ
プｔ（０，１秒）で読取られる出湯温サーミスタ１９の
検知温度からでは算出しにくい出湯温度の微分値を、上
述の検知温度による温度差ΔＴｎを利用して算出するも
のである。

すなわち、湯温Ｔａｕｔ　ｎ　、検知温度］゛ｎ、ステ
ップ間の検知温度の温度差ΔＴｎとしたとき、時間ステ
ップｔについての湯温Ｔｏｕｔ　ｎ　、　’ｒｏｕｔ　
ｎ−１、・・・は、 Ｔｏｕｔ　ｎ　＝Ｔｎ−１＋　（ｒ　ｘΔＴｎ）−・・
■’ｌ’ｏｕｔ　ｎ−１＝’ｌ’ｎ−２＋（ｒ　ｘΔ’
ｌ’ｎ−１）　９１．■（ｒ：サーミスタの応答性に応
じて決まる定数）の関係で、上述のとおり推定すること
ができる。

従って、上記各式の差（■−■）より、湯温の微分値Δ
’ｉ’ｏｕｔｎは、 ΔＴＯＵｔ　ｎ　＝ＴＯｕｔ　ｎ　−ＴＯｕｔ　ｎ−１
＝’ｌ’ｎ−１＋　（ｒＸΔＴｎ）　−（’ｆ’ｎ−２
＋（ｒ×ΔＴｎ−１）　）　　　・・・■ここで、 Ｔｎ−１＝Ｔｎ−２＋ΔＴｎ−１−・・■であるため、
式■を弐〇へ代入すると、Δ’ｒｏｕｔｎ＝ｒΔＴｎ＋
（１−ｒ）ΔＴｎ−１となる。

このように、微分値ΔＴＯｕｔ　ｎを、各時間ステップ
（所定時間毎）の検知温度の温度差Δ］゛ｎの関数とし
て求めることができる。

燃焼量Ｑを決定するためのＣＰＵ５０の燃焼制御動作と
しては、フィードフォワード制御（ＦＦ制御）５３と、
フィードバック制御（ＦＢ制御）５４が行われる。

ＦＦ制御５３は、運転開始後に上記の温度推定部５１で
推定された湯温’ｔ’ｏｕｔｎと設定温度”ｉ’ｓｅｔ
との偏差ｄｔが、１ｄｔｌ≦ｙになるまでの間に行われ
る制御動作である。

ＦＦ制御５３では、コントローラ４０ａによる設定温度
ＴＳｅｔ　、入水温サーミスタ１８で検知される入水温
度Ｔｉｎ、流量センサ１７で検知される水量Ｗが所定時
間毎のサイクルでＣＰＵ５０に読取られ、さらにあらか
じめ算出された熱交換率１／ｅｒｆとから、 Ｑ（ＦＦ）＝　（Ｔｓｅｔ　−Ｔｉｎ）　ｘＷ／ｅｆｆ
で燃焼量Ｑ（ＦＦ）を決定する。

従って、ＦＦ制御５３では、ＣＰＵ５０の読取り時間毎
に燃焼量Ｑ（ＦＦ）が更新され、この燃焼量Ｑ（ＦＦ）
に基づいて、送風機１２およびガバナ比例弁２３が制御
される。

ＦＢｉｔｌＪ御５４は、湯温Ｔａｕｔ　ｎの変化に伴っ
て、前述の条件１ｄｔｌ≦ｙになった場合に、出湯温度
を安定させ°るために行う燃焼量補正制御で、設定温度
Ｔ　ｓｅｔと湯温との偏差による比例動作５５と、外乱
による湯温Ｔｏｕｔ　ｎの変化に応じて、燃焼量を速や
かに補正するための微分動作５６が行われる。

これらの比例動作５５、微分動作５６は、ＣＰＵ５０に
よって所定時間毎に読込まれる出湯温サーミスタ１９の
検知温度Ｔｎに基づいて、上述の温度推定部５１と微分
値推定部５２によって推定された湯温ＴＯｕｔ　ｎと、
その微分値Δ’ｒｏｕｔ　ｎとに基づいてそれぞれ得ら
れる比例補正ＩＩＰ、微分補正ＩＩｋＤを、前述のＦＦ
制御５３による燃焼量Ｑ（ＦＦ）に対して、各補正量が
算出される毎に繰り返し加算する動作である。

ＦＢ制御５４としての燃焼ｆｆ１Ｑ（ＦＢ）は、Ｑ　（
ＦＢ）　＝　Ｑ　（ＦＦ）＋　Ｐ　＋　Ｄで基本的に求
められ、時間ステップｎについて燃焼量、比例補正量、
微分補正量をそれぞれＱ（ＦＢ）ｎ、Ｐｎ、Ｄｎとする
と、 Ｑ（ＦＢ）ｎ−Ｑ（ＦＢ）ｎ−１＋Ｐｎ＋Ｄｎで求めら
れ、各位が算出される毎に、逐次更新されるものである
。

ここで、比例動作５５による比例補正１１Ｐｎは、設定
温度”ｉ’ｓｅｔと湯温］’ｏｕｔ　ｎとの偏差と、水
量Ｗとから、 Ｐｎ＝Ｅ　（’ｒｓｅｔ　−Ｔｏｕｔ　ｎ　）　　・Ｗ
で求められる。ここでＥは比例定数。

また、微分動作５５による微分補正量Ｄｎは、Ｄｎ＝Δ
’１’０ｔｌｔ　ｎ　Ｘ　ｄ で求められる。ここでΔＴＯｕｔ　ｎは、上記の微分値
推定部５２で推定された出湯温度の微分値であり、ｄは
負の定数である。

燃焼制御では、こうして得られた燃焼量Ｑに対応するＲ
ＯＭ４１内のデータに基づいて、送風機１２を制御する
。

ここでは、決定された燃焼量Ｑに対応した送風機１２の
制御電圧データが、ＲＯＭ４１に記憶されていて、燃焼
量Ｑが与えられると、それに対応したデータが使用され
るガス種に応じてＣＰＵ５０の演算処理により読み出さ
れ、それに基づいた電圧が送風機１２に印加される。

またガバナ比例弁２３への通電電流値は、検出される送
風機１２の回転数に基づいて決定される。

以上の構成からなる本実施例のガス給湯器１は次のとお
り作動する。

使用者がコントローラ４０ａによって出湯温度を設定し
、図示しない水栓を繰作して給湯を開始すると、所定の
シーケンスで点火が行われる。

着火がフレームロッド１５によって検知されると、コン
トローラ４０ａ、各センサおよびサーミスタの信号に基
づいてＦＦ制御５３の燃焼量Ｑ（ＦＦ）が計算され、そ
れに基づいて送風機１２とガバナ比例弁２３が制御され
る。

その後、湯温”’ｔ’ｏｕｔ　ｎが所定条件１ｄｔｌ≦
ｙになると、湯温’ｒｏｕｔ　ｎに基づいてＦＢ制御５
４が行われ、比例動作５５および微分動作５６による各
補正値Ｐｎ、Ｄｎが求められ、ＦＢ制御５４における燃
焼量Ｑ（ＦＢ）が決定され、必要な温度ＴＯに加熱され
る。

給湯中に、例えば第４図の実＆ＩＣに示すように、時間
Ｌ１に使用者によって給湯量が変更され、給湯量が減少
すると、実際の出湯温度は実線りに示すとおり上昇する
。

このとき、出湯温サーミスタ１９によって検知される検
知温度Ｔ（ｔ）は、湯温には追随できず、破線Ｅに示す
とおり、絹やかに上昇する。

この湯温の変化を示す微分値Δ’ｒｏｕｔ　ｎは、本実
施例では、湯温からではなく、検知温度Ｔ（ｔ）の変化
量に基づいて算出されるため、実線Ｆに示すとおり、実
際の湯温の変化に応じた微分値が得られ、破線Ｇで示し
た従来の場合のように、微分値に遅れが生ずることがな
い、従って、時間ｔ１から時間ｔ２において、実線■（
に示すとおり、微分補正量Ｄ１が得られ、フィードバッ
ク制御５４における微分動作５６が速やかに行われる。

この結果、破線Ｉに示す従来の場合のように、微分補正
；ＩＤＩが遅れるようなことがなく、燃焼量を速やかに
補正することができ、出湯温度を安定させることができ
る。

以上のとおり、本実施例では、フィードバック制御にお
いて微分制御が行われるため、フィードフォワード制御
において、流量の変化等の検知量が十分に検知されにく
い場合であっても、出湯温度の変化に基づいて燃焼量が
速やかに変更され、出湯温度を設定温度に確実に近付け
ることができる。

また、この微分制御のための出湯温度の微分値は、サー
ミスタに検知された検知温度の変化値に基づいて推定さ
れるため、出湯温サーミスタに検知される検知温度をマ
イコンに入力するための入力ボート数を、フィードバッ
ク比例制御において必要な程度に細分化するだけでよい
ため、入力ボート数を少なく設定でき、マイコンのハー
ドの負担を少なくすることができる。また、それを処理
するためのプログラムが簡略化されるため、開発期間が
短縮でき、開発費用を削減することができる。

本実施例では、ガス給湯器を示したが、温水式暖房機、
床暖房、セントラルヒーティングでもよい また、加熱源はガス、石油等による燃ｔｎ機器に限定さ
れず、電気加熱によるものでもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すガス給湯器の制御装置の
ｌ！能的楕成を示す機能ブロック図、第２図は本実施例
のガス給湯器の構成を示す概略図、第３図は被測定温度
と検知温度との関係を示すタイムチャート、第４図は本
発明の作動説明のためのタイムチャートである。 図中、１７・・・流量センサ（水量検知手段）、１８・
・・入水温サーミスタ（入水温度検知手段）、１９・・
・出湯温サーミスタ（流出温度検知手段）、５１・・・
温度推定部（温度差算出部）、５２・・・微分値推定部
、５３・・・フィードフォワード制御（フィードフォワ
ード制御手段）、５４・・・フィードバック制御（フィ
ードバック制御手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）熱交換器へ供給される水量を検知する水量検知手段
   と、前記熱交換器への水の流入温度を検知する入水温度
   検知手段と、前記熱交換器から流出する湯水の流出温度
   を検知する流出温度検知手段とを備え、前記水量検知手
   段によって検知される水量と前記入水温検知手段によっ
   て検知される流入温度とを所定時間毎に読取り、目標温
   度に応じた加熱量を決定するフィードフォワード制御手
   段と、前記流出温度と前記目標温度との偏差に基づいて
   、前記フィードフォワード制御手段で決定された前記加
   熱量を所定時間毎に補正して更新するフィードバック制
   御手段とにより加熱量を制御する給湯器の温度制御装置
   において、 前記フィードバック制御手段は、前記流出温度検知手段
   の検知温度を所定時間毎に読取り、該所定時間における
   温度差を求める温度差算出部と、該温度差に基づいて前
   記流出温度の微分値を推定する微分値推定部とを有し、
   前記フィードフォワード制御手段で決定された前記加熱
   量を該微分値に基づいて所定時間毎に補正して更新する
   ことを特徴とする給湯器の温度制御装置。