JPH0268419A - 燃焼装置の制御装置 - 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、要求される燃焼量と、実際の燃焼量との偏差
を、積分制御によって補正する燃焼装置の制御装置に関
する。

［従来の技術］ 暖房装置や給湯器など、燃料の燃焼を行う燃焼装置では
、燃焼量を制御装置によって制御するものがある。制御
装置による燃焼量の制御は、所定の結果を得るために燃
焼量を決定するフィードフォワード制御と、実際の燃焼
結果から燃焼量を補正するフィードバック制御とを組み
合わせて行なうものが考えられる。

フィードバック制御には、設定温度と出湯温度との偏差
量を修正するものとして積分制御が考えられる。

［発明が解決しようとする課題］ 一方、燃焼装置には燃焼範囲（器具の能力）がある。例
えば燃焼式給湯器を例に示すと、器具に表示される例え
ば８号〜２４号が燃焼範囲に相当する。

もし２４号の能力が制御装置により要求された場合に出
湯温度が低く、実際の燃焼が２３月相当であると制御装
置がｉｉ！識すると、積分制御等により、積分補正量が
増し、燃焼量を増加させる。しかるに、水量が多かった
り、入水温度が低かったりして出湯温度が低く、出湯温
度が」−昇しない場合などは、実際の燃焼が２４号に達
したと制御装置が認識しないため、制御装置は２４号以
上の燃焼を行うように燃焼量を決定する（能力オーバー
）。

積分制御による積分補正量は、変化速度が遅いため、積
分量が増加するのに時間がかかるが、逆に、減少するの
にも時間がかかる。このため、能力オーバーの状態から
、能力の範囲内へ燃焼量の要求が移行すると、能力オー
バー時に累積された積分補正量が、フィードフォワード
により算出された燃焼量に加算される。この結果、燃焼
量の要求が移行してしばらくの間、要求された燃焼量と
は異なった燃焼量となる問題点を備えていた。

また、同様に、８号の能力が制御装置により要求され、
実際の燃焼が９号と制御装置か認識すると、積分制御等
により、燃焼量を減少させる。しかるに、実際の燃焼が
８号に低下しないと、制御装置は８号以下の燃焼を行う
ように燃焼量を決定するく能力アンダー）。そして、こ
の能力アンダーの状態から能力の範囲内へ燃焼量の要求
が移行すると、能力アンダー時に累積された積分補正量
か燃焼量に加算されるため、しばらくの間、要求された
燃焼量とは異なった燃焼量となる問題点を備えていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的
は、積分制御による能力オーバー時、または能力アンダ
ー時から、適正能力内に移行した際の不具合をなくした
燃焼装置の制御装置の提供にある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するため、第１図に示ずように
、燃料の燃焼を行う燃焼部１と、該燃焼部１に要求され
る燃焼量と前記燃焼部１の実際の燃焼量との偏差量を積
分制御によって補正する積分制御手段２を用いた制御装
置３を備えた燃焼装置において、前記積分制御手段２に
よる積分補正量は、要求される燃焼量が、燃焼範囲の最
小燃焼値より小さく設定された第１アンダー燃焼値と、
燃焼範囲の最大燃焼値より大きく設定された第１オーバ
ー燃焼値との間、前記偏差量より算出し、前記第１アン
ダー燃焼値と、この第１アンダー燃焼値より小さく設定
された第２アンダー燃焼値との間、第１仮定値を代入し
、前記第１オーバー燃焼値と、この第１オーバー燃焼値
より大きく設定された第２オーバー燃焼値との間、第２
仮定値を代入し、前記第２アンダー燃焼値より小さい時
、あるいは第２オーバー燃焼値より大きい時、０を代入
することを技術的手段とする。

［作用］ 次に、要求される燃焼量に応じた積分補正量の求め方に
ついて説明する。

要求される燃焼量が、第１アンダー燃焼値と第１オーバ
ー燃焼値との間の場合、要求される燃焼量と実際の燃焼
量との偏差量に応じて積分制御により積分補正量を求め
る。そして、その積分補正量を、要求される燃焼量にフ
ィードバックする。

このため、少しの能力オーバーや、少しの能力アンダー
は、累積される積分補正量が小さいため、影響が少ない
とともに、器具のバラツキの可能性もあるため、大きな
不具合なく燃焼量を制御することができる。

また、要求される燃焼量が、第１アンダー燃焼値と第２
アンダー燃焼値との間の場合は、積分演算によって求め
られる積分補正量に第１仮定値を代入し、この第１仮定
値を要求される燃焼量にフィードバックする。これによ
り、能力アンダーが持続されても、燃焼量を低下させる
積分量が、従来のように増加しない。この結果、燃焼量
が第１アンダー燃焼値と第２アンダー燃焼値との間から
、第１アンダー燃焼値から第１オーバー燃焼値との間の
燃焼範囲内へ移行しても、第１仮定値が初期値とされる
ため、要求される燃焼量に応じた値を素早く算出するこ
とかできる。

さらに、要求される燃焼量が、第１オーバー燃焼値と第
２オーバー燃焼値との間の場合は、積分演算によって求
められる積分補正量に第２仮定値を代入し、この第２仮
定値を要求される燃焼量にフィードバックする。これに
より、能力オーバーが持続されても、燃焼量を増加させ
る積分量が、従来のように増加しない。この結果、燃焼
量が第１オーバー燃焼値と第２オーバー燃焼値との間か
ら、第１アンダー燃焼値から第１オーバー燃焼値との間
の燃焼範囲内へ移行しＣも、第２仮定値が初期値とされ
るため、要求される燃焼量に応じた値を素早く算出する
ことができる。

そして、過渡時など、要求される燃焼量が、第２アンダ
ー燃焼値より小さい場合、あるいは第２オーバー燃焼値
より大きい場合は、積分演算によって求められる値に０
を代入する。つまり、積分によるフィードバック制御は
行わない。これにより、過渡時に積分制御によるフィー
ドバックの掛かりすぎをなくすことができる。

［発明の効果］ 本発明によれば、積分制御を用いることによる不具合を
なくし、積分制御の利点のみを取り入れることができる
。

［実施例］ 次に、本発明をバイパスミキシング式給湯器に適用した
実施例を図面を用いて説明する。

第２図にバイパスミキシング式のガス給湯器の概略図を
示す。

このガス給湯器は、大別して燃料の燃焼を行う燃焼部１
０と、ガス供給配管２０と、水配管３０と、制御装置〃
４０とから構成されている。

燃焼部１０は、セラミック製の表面燃焼式バーナ１１を
内部に配設した燃焼ケース１２と、この燃焼ケース１２
内に燃焼用の空気を供給する送風機１３とからなり、送
風機１３によって燃焼ケース１２内に導がれた燃焼用の
空気は、燃焼後、燃焼ガスとして図示しない排気口より
排出される。

ガス供給配管２０は、送風８！１１３の遠心式ファン１
４の内周に開口するノズル２１へ、燃料のガスを供給す
るもので、上流側より元電磁弁２２、主電磁弁２３、比
例弁２４が順次設けられている。比例弁２４の下流は２
つに分岐され、一方には切替用電磁弁２５、他方にはオ
リフィス２６が設けられている。なお、元電磁弁２２、
主電磁弁２３および切替用電磁弁２５は、通電制御によ
ってガス供給配管２０を開閉するもので、比例弁２４は
通電量に応じて開口比が変化し、ノズル２１に供給され
るガス量を調節するものである。

水配管３０は、一方が水の供給源に接続され、他方が給
湯口に接続されるもので、バーナ１１のガスの燃焼によ
って発生する熱と内部を流れる水とを熱交換し、内部を
通過する水を加熱する熱交換器３１と、この熱交換器３
１をバイパスするバイパス水路３２とを備える。

熱交換器３１とバイパス水路３２どの分岐路の上流の水
配管３０には、熱交換器３１とバイパス水路３２とに流
入する水圧が変化しても、流入する水量を一定に保つガ
バナ弁の機能と、水量を調節する水量調節弁の機能とが
組み合わされた電動水量制御装置３３が設けられている
。また、バイパス水路３２には、バイパス水路３２を通
過する水量を調節するとともに、バイパス水路３２を開
閉可能な絞り弁（本発明の開閉弁）３４が設けられてい
る。

なお、電動水量制御装置３３の絞り比は、熱交換器３１
およびバイパス水路３２へ流入する水の総量を規制する
ため、絞り弁３４と同じか、絞り弁３４より小さく設け
られている。また、電動水量制御装置３３と絞り弁３４
は、水量を調節する手段として、水路を開閉可能な弁体
をギアドモータを用いて駆動している。

制御装置４０は、第３図に示すように、マイクロコンピ
ュータ４１、リレー回路４２および駆動回路４３から構
成されるもので、使用者によって操作されるコントロー
ラ４４や各種センサの出力に応じて、バーナ１１に着火
を行うスパーカ４５、元電磁弁２２、主電磁弁２３、比
例弁２４、切替用電磁弁２５、電動水量制御装置３３、
絞り弁３４を通電制御するものである。

制御装置４０の各種センサは、バーナ１１の炎の検出お
よび空燃比を検出するためのフレームロッド４６および
サーモカップル４７、電動水量制御装置３３および絞り
弁３４の弁体に連動し、開度を検出するポテンショメー
タ４８．４９、送風機１３の風量を回転速度によって検
出する風量検出センサ５０、熱交換器３１およびバイパ
ス水路３２に流入する水の温度を検出する入水温センサ
５１、熱交換器３１を通過した湯温を検出する湯温セン
サ５２、熱交換器３１およびバイパス水路３２を通過し
、混合されな湯温を検出する出湯温センサ５３、熱交換
器３１およびバイパス水路３２に流入する水量を検出す
る水量検出センサ５４を備える。

なお、風量検出センサ５０は、送風機１３のモータに連
動する回転体を備え、この回転体の回転に応じたパルス
信号を発生する。また、水量検出センサ５４は、水の流
れによって回転する回転体を備え、この回転体の回転に
応じたパルス信号を発生ずる。

そして、コンピュータ４１は、風量検出センサ５０およ
び水量検出センサ５４の発生ずるパルス信号の間隔より
、送風機１３の回転速度や、回転体の回転速度を検出し
、風景や水量を検出する。

次に、コンピュータ４１による燃焼制御、および水量制
御について簡単に説明する。

使用者が給湯口に接続されたカランを操作し、水配管３
０に水流が生じると、水量検出センサ５４内の回転体が
回転し、燃焼が開始される。燃焼開始後の燃焼量は、コ
ン１〜ローラ４４によって設定された設定温度が得られ
るように、各種センサによって得られた水量、入水温度
、熱交換器３１を通過した湯温、ミキシング湯温（出湯
温度）等より決定され、送風機１３は決定された燃ｊｆ
ｌｔ、量に応じた風量をバーナ１１に供給するように電
圧が制御される。

つまり、燃焼量イコール送風機１３の送風量とされる。

そして、送風機１３の回転速度やバーナ１１の炎の温度
に応じたガス量が得られるように、比例弁２４および切
替用電磁弁２５が通電制御される。なお、燃焼量は、熱
交換器３１を通過した湯温か、燃焼によって発生した水
（ドレン水）が熱交換器３１に付着しない温度（例えば
６０℃）以上に維持されるように設定される。

絞り弁３４は、入水温度、設定温度、熱交換器３１を通
過した湯温、出湯温度より算出された適切な開度で固定
される。なおこの固定は、バイパス水路３２を流れる流
量が、熱交換器３１を流れる水量の２倍となるように設
定されている。つまり、バイパス水路３２と熱交換器３
１との流通抵抗の比は、絞り弁３４により約２：１とさ
れる。また、絞り弁３４の開度の固定は、入水量が少な
い場合や、出湯温度を低下させる場合に解除され、入水
量、出湯温度に応じて算出された開度となるように絞り
弁３４が通電制御される。

また、電動水量制御装置３３は、出湯温度が得られるの
に必要な最大流量を越えないように通電制御される。

次に、制御装置４０による燃焼量の算出について詳述す
る。

制御装置４０によって求められる本実施例の燃焼量Ｑは
、フィードフォワード量ＦＦと、熱交容量補正量にと、
空燃比補正量Ｔと、比例補正量Ｐと、積分補正量■と加
算したもので、 ｑ＝Ｆ「＋に十Ｔ＋ｐ＋Ｉの式で表される。

このように、燃焼量ＱをＦｒ＋に＋Ｔ＋Ｐ＋Ｉとするこ
とにより、使用者の設定した出湯温度を、常に安定して
供給することができる。なお、燃焼量Ｑは、給湯器の能
力（器具の能力）によって最大燃焼量と最小燃焼量との
制限を受けるが、燃焼量Ｑが最大燃焼量と最小燃焼量の
範囲外でも、各フィードフォワード量ＦＦ、熱交容量補
正量Ｋ、空燃比補正量Ｔ、比例補正量Ｐ、積分補正量■
の算出は、それぞれコンピュータ４１によって続行され
る。

フィードフォワード量Ｆ「は、コントローラ４４で設定
された設定温度Ｔｓと入水温センサ５１によって検出さ
れた入水温度Ｔｉとの差と、水量検出センサ５４によっ
て検出された水量Ｗと、熱交換器３１の熱交換効率１／
ｅｆｆとによって算出される。

これは、ｒＦ−（Ｔｓ−Ｔｉ）　Ｗ／ｅｆｆ　（７）式
で表される。

熱交容量補正量には、コントローラ４４で設定された設
定温度Ｔｓと出湯温センサ５３によって検出された出湯
温度１０との差と、使用される熱交換器３１に応して予
め設定された熱容量Ｍと、熱交換器３１とバイパス水路
３２とのバイパス比に応じた定数ａとから算出される。

これは、Ｋ＝ａ　（Ｔｓ　−Ｔｏ）　Ｍの式で表される
。

なおこの熱交容量補正量にの算出は、コントローラ４４
で設定された設定温度１Ｓが得られるに必要な熱交換器
３１の仮想温度丁ｃを算出し、この仮想温度［ｅと湯温
センサ５２によって検出した湯温１ｍとの差と、熱容量
Ｍとから算出しても同しことである。

なおこれは、Ｋ＝　（Ｔｅ−Ｔｍ）　Ｍの式で表される
。

空燃比部■”量］゛は、空燃比補正により増減されるガ
ス量を補正するもので、空燃比補正による補正量Ｎの符
号を反転させたものである。

これは、Ｔｍ−Ｈの式て表される。

比例補正量Ｐの算出は、コントローラ４４で設定された
設定温度Ｔｓと出湯温センサ５３によって検出した出湯
温度Ｔｏとの差と、水量検出センサ５４によって検出さ
れた水量Ｗと、比例定数Ｅとから算出される。

これは、Ｐ＝Ｅ（Ｔｓ−ＴＯ）Ｗの式で表される。

なお、（Ｔｓ−Ｔｏ）　Ｗは、要求される燃焼量と実際
の燃焼量との偏差を示す。また、本実施例ではＥＯ１８
前後が適正である。

積分補正量Ｉは、コンピュータ４１内にプログラムされ
た積分制御手段によって算出される。この積分制御手段
は、コントローラ４４で設定された設定温度Ｔｓと出湯
温センサ５３によって検出した出湯温度Ｔｏとの偏差量
を、水量Ｗを用いて積分制御により補正するもので、積
分補正量■の算出について、以下に詳述する。

本実施例の給湯器の燃焼範囲（器具の能力）は、８号〜
２４号である。つまり、最小燃焼量が８号で、最大燃焼
量が２４号である。制御袋Ｗ４０は、第４図に示すよう
に、燃焼量を、最小燃焼量ｓＯより小さい第１アンダー
燃焼量Ｓ１、第１アンダー燃焼量Ｓ１より小さい第２ア
ンダー燃焼量Ｓ２、最大燃焼量１．０より大きい第１オ
ーバー燃焼量［１、第１オーバー燃焼量シ、１より大き
い第２オーバー燃焼量Ｔ、２を用いて分類している。

なお、第２アンダー燃ｆｉｉｓ２は、最小燃焼量ＳＯよ
り３０％小さい５．６号で、第１アンダー燃焼量Ｓ１は
、最小燃焼量ＳＯより１５％小さい６８号て、第１オー
バー燃焼量Ｔ、１？ｉ、最大燃焼ｆ［：Ｉ、０より１５
％大きい２７６号で、第２オーバー燃焼ＭＬ２は、最大
燃焼量Ｔ、Ｏより３０％大きい３１２号である。

次に、上記燃焼量の分類による積分補正量■の算出例を
示す。

イ）入水温度、設定温度、水量などより求められる燃焼
量（本発明の要求される燃焼量で、本実施例では、「１
＋ＴトＰ十■によって求められる）が、第２アンダー燃
焼量５２（５６号）よりも小さい場合（ＩＴ＋Ｔ　＋Ｐ
＋　Ｉ　≦３２　）は、Ｉ　＝Ｏとする。なお、このと
きＰ−０とする。つまり、積分補正量■に０、比例補正
量Ｐに０を代入し、Ｑ−ＦＦ十に＋Ｔ＋〇＋Ｏとする。

口）要求される燃焼量が、第２アンダー燃焼量Ｓ２　　
（５，６号）よりも大きく、第１アンダー燃焼量８１　
　（６，８号）より小さい場合（Ｓ２　＜Ｆ「＋ＴｆＰ
＋Ｉ＜８１）は、Ｉ　＝ＳＯ−ＦＦ−Ｔ　（本発明の第
１仮定値）とする。なお、このときＰ−０とする。つま
り、積分補正量■に仮定値としてＳＯ−ＦＦ−Ｔで算出
される値を代入し、比例補正量ＰにＯを代入し、Ｑ＝Ｆ
Ｆ十に＋Ｔ、＋−０＋　（３０−Ｆｒ］゛）とする。

ハ）要求される燃焼量が、第１アンダー燃焼量Ｓｌ　　
（６，８号）よりも大きく、第１オーバー燃焼量Ｌｌ　
　（２７，６号）より小さい場合（ｓｉ≦「「＋Ｔ十Ｐ
＋Ｉ≦１７１）は、コントローラ４４で設定された設定
温度Ｔｓと出湯温センサ５３によって検出した出湯温度
■０との差と、水量Ｗとの積、つまり要求される燃焼量
と実際の燃焼量との偏差を積分した値を算出する。この
値の算出は、 Ｉ、、＝＝■、−，十ｂｗ、、（Ｔｓ−Ｔｏ）の式で表
される。なお、ｂｘＷ、、は積分定数を示し、■。は今
回の算出する積分補正量で、Ｉゎ一１前回の算出した積
分補正量を示す。このように、積分補正量■の変化量を
流量Ｗｎに比例させることにより、フィードバックの遅
れ時間を修正し、全水量に亘って積分補正量工をほぼ均
一に評価することができる。また、積分補正量ＩをＦ「
値の変化比の積として、−度数束した積分補正量を合理
的に再評価し、変化に対応させても良い。

二）要求される燃焼量が、第１オーバー燃焼量り、１　
　（２７，６号）よりも大きく、第２オーバー燃焼量Ｌ
２　　（３１，２号）より小さい場合（Ｌｌ　＜ＦＦ＋
Ｔ＋Ｐ＋Ｉ＜１．２）は、Ｉ　−４，０−ＦＦ−Ｔ　（
本発明の第２仮定値）とする。なお、このときＰ−０と
する。つまり、積分補正量■に仮定値として１，０ＦＦ
−Ｔで算出される値を代入し、比例補正量Ｐに０を代入
し、Ｑ＝ＦＦ＋に＋Ｔ＋Ｏ＋　（Ｔ、Ｏ−ＦＦＴ）とす
る。

ポ）要求される燃焼量が、第２オーバー燃焼量Ｌ２　　
（３１，２号）より大きい場合（■７２≦Ｆｒ＋’Ｉ”
＋Ｐ十Ｉ）は、Ｉ＝Ｏとする。なお、このときＰ＝０と
する。つまり、積分補正量Ｉに０を代入し、比例補正量
ＰにＯを代入し、Ｑ　＝Ｆｌ”十に＋Ｔ＋０Ｔｏとする
。

次に、上記実施例の作動を簡単に説明する。

ａ）ＦＦ＋Ｔ＋Ｐ＋Ｉによって算出された燃焼量が、第
１アンダー燃焼値Ｓ１と第１オーバー燃焼値［５１との
間の場合、積分補正量は１．＝Ｉｆｉ、、。

＋ｂｗ、、（Ｔｓ　−Ｔｏ）の式で求められる。このた
め、少しの能力オーバーや、少しの能力アンダーは、累
積される積分補正量Ｉが小さいため、積分補正量Ｉが累
積しても影響が少なく、また器具のバラツキの可能性も
あるため、大きな不具合なく燃焼量を制御することがで
きる。

ｂ　）　ＦＦ＋Ｔ十Ｐ　＋　Ｉによって算出された燃焼
量が、第１アンダー燃焼値Ｓ１と第２アンダー燃焼値Ｓ
２との間の場合、積分補正量■に第１仮定値（ＳＯ−Ｆ
Ｆ−Ｔ）が代入される。これにより、能力アンダーが持
続されても、燃焼量を低下させる積分量が、従来のよう
に増加しない。この結果、ＦＦ＋Ｔ＋Ｐ＋Ｉによって算
出された燃焼量が、第１アンダー燃焼値Ｓ１と第２アン
ダー燃焼値Ｓ２との間から、第１アンダー燃焼値Ｓ１か
ら第１オーバー燃焼値Ｌ１との間の燃焼範囲内へ移行し
た場合、第１仮定値が初期値とされるため、燃焼量Ｑは
、要求される燃焼量に近い値となる。

ｃ）ＦＦ＋Ｔ＋Ｐ＋Ｉによって算出された燃焼量が、第
１オーバー燃焼値Ｌ１と第２オーバー燃焼値１．２との
間の場合、積分補正量■に第２仮定値（ＬＯ−ＦＦ−Ｔ
）が代入される。これにより、能力オーバーか持続され
ても、燃焼量を増加させる積分量が、従来のように増加
しない。この結果、燃焼量が第１オーバー燃焼値り、１
と第２オーバー燃焼値Ｌ２との間から、第１アンダー燃
焼値Ｓ１から第１オーバー燃焼値Ｌｌとの間の燃焼範囲
内へ移行した場合、第２仮定値が初期値とされるなめ、
燃焼量Ｑは、要求される燃焼量に近い値となる。

ｄ　）　ＦＦ＋Ｔ十Ｐ　＋　Ｉによって算出された燃焼
量が、第２アンダー燃焼値Ｓ２より小さい場合、あるい
は第２オーバー燃焼値Ｌ２より大きい場合は、積分補正
量■を０とする。これにより、過渡時に積分制御による
フィードバックの掛かりすぎをなくすことができる。

（変形例） 本発明を、微分制御を用いたＰＩＤ制御の積分制御に適
用しても良い。

バイパス水路を備えた給湯器を例に示したが、バイパス
水路を有しない給湯器はもちろん、燃焼式暖房装置など
に本発明を適用しても良い。

また、燃料にガスを用いた例を示したが、灯油など、他
の燃料を用いても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図はバイ
パスミキシング式のガス給湯器の概略構成図、第３図は
制御装置の概略ブロック図、第４図は制御装置による燃
焼量の分類の一例を示すグラフである。 図中　　１・・・燃焼部　　　２・・・積分制御手段３
・・・制御装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）燃料の燃焼を行う燃焼部と、該燃焼部に要求される
   燃焼量と前記燃焼部の実際の燃焼量との偏差量を積分制
   御によって補正する積分制御手段を用いた制御装置を備
   えた燃焼装置において、前記積分制御手段による積分補
   正量は、要求される燃焼量が、 燃焼範囲の最小燃焼値より小さく設定された第１アンダ
   ー燃焼値と、燃焼範囲の最大燃焼値より大きく設定され
   た第１オーバー燃焼値との間、前記偏差量より算出し、 前記第１アンダー燃焼値と、この第１アンダー燃焼値よ
   り小さく設定された第２アンダー燃焼値との間、第１仮
   定値を代入し、 前記第１オーバー燃焼値と、この第１オーバー燃焼値よ
   り大きく設定された第２オーバー燃焼値との間、第２仮
   定値を代入し、 前記第２アンダー燃焼値より小さい時、あるいは第２オ
   ーバー燃焼値より大きい時、０を代入する ことを特徴とする燃焼装置の制御装置。