JPH0733909B2

JPH0733909B2 - 燃焼装置の制御装置

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Publication number: JPH0733909B2
Application number: JP63220718A
Authority: JP
Inventors: 郁朗足立
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 1988-09-02
Filing date: 1988-09-02
Publication date: 1995-04-12
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: JPH0268419A

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号相当であると制御装置が
認識すると、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、出湯温度が上昇
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号と制御装置が認識すると、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（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
が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図に示すよう
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、Ｏ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
ことができる。

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ても、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Ｏ
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10
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内に導か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、送風機13の遠心式ファン14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31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と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、熱交換機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、混合された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
パルス信号を発生する。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の発生するパル
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、風量や水量を検出する。

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30
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、コント
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は決定された燃焼量に応じた風
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
過した湯温が、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31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Ｋと、空燃
比補正量Ｔと、比例補正量Ｐと、積分補正量Ｉと加算し
たもので、Ｑ＝FF＋Ｋ＋Ｔ＋Ｐ＋Ｉの式で表される。

このように、燃焼量ＱをFF＋Ｋ＋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Ｉ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FF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、FF＝（Ts−Ti）W/effの式で表される熱交容量補正量Ｋ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To
との差と、使用される熱交換器31に応じて予め設定され
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Ｋの算出は、コントローラ44で
設定された設定温度Tsが得られるに必要な熱交換器31の
仮想温度Teを算出し、この仮想温度Teと湯温センサ52に
よって検出した湯温Tmとの差と、熱容量Ｍとから算出し
ても同じことである。

なおこれは、Ｋ＝（Te−Tm）Ｍの式で表される。

空熱比補正量Ｔ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、Ｔ＝−Ｎの式で表される。

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Ｅ＝0.8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
Ｉ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。制御装置40は、第４図に示すように、燃
焼量を、最小燃焼量S0より小さい第１アンダー燃焼量S
1、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L0より大きい第１オーバー燃焼量L1、
第１オーバー燃焼量L1より大きい第２オーバー燃焼量L2
を用いて分類している。

なお、第２アンダー燃焼量S2は、最小燃焼量S0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S
0より15％小さい6.8号で、第１オーバー燃焼量L1は、最
大燃焼量L0より15％大きい27.6号で、第２オーバー燃焼
量L2は、最大燃焼量L0より30％大きい31.2号である。

次に、上記燃焼量の分類による積分補正量Ｉ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、FF＋
Ｔ＋Ｐ＋Ｉによって求められる）が、第２アンダー燃焼
量S2（5.6号）よりも小さい場合（FF＋Ｔ＋Ｐ＋Ｉ≦S
2）は、Ｉ＝Ｏとする。なお、このときＰ＝Ｏとする。
つまり、積分補正量ＩにＯ、比例補正量ＰにＯを代入
し、Ｑ＝FF＋Ｋ＋Ｔ＋Ｏ＋Ｏとする。

ロ）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S1（6.8号）よ
り小さい場合（S2＜FF＋Ｔ＋Ｐ＋Ｉ＜S1）は、Ｉ＝S0−
FF−Ｔ（本発明の第１仮定値）とする。なお、このとき
Ｐ＝Ｏとする。つまり、積分補正量Ｉに仮定値としてS0
−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＝FF＋Ｋ＋Ｔ＋Ｏ＋（S0−FF−Ｔ）とする。

ハ）要求される燃焼量が、第１アンダー燃焼量S1（6.8
号）よりも大きく、第１オーバー燃焼量L1（27.6号）よ
り小さい場合（S1≦FF＋Ｔ＋Ｐ＋Ｉ≦L1）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_n＝I_n-1＋bW_n（Ts−To）の式で表される。なお、ｂ×W
_nは積分定数を示し、I_nは今回の算出する積分補正量
で、I_n-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Ｉの変化量を流量W_n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Ｉ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FF値の変化比の積として、一度収
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。

ニ）要求される燃焼量が、第１オーバー燃焼量L1（27.6
号）よりも大きく、第２オーバー燃焼量L2（31.2号）よ
り小さい場合（L1＜FF＋Ｔ＋Ｐ＋Ｉ＜L2）は、Ｉ＝L0−
FF−Ｔ（本発明の第２仮定値）とする。なお、このとき
Ｐ＝Ｏとする。つまり、積分補正量Ｉに仮定値としてL0
−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＝FF＋Ｋ＋Ｔ＋Ｏ＋（L0−FF−Ｔ）とする。

ホ）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（L2≦FF＋Ｔ＋Ｐ＋Ｉ）は、Ｉ＝Ｏ
とする。なお、このときＰ＝Ｏとする。つまり、積分補
正量ＩにＯを代入し、比例補正量ＰにＯを代入し、Ｑ＝
FF＋Ｋ＋Ｔ＋Ｏ＋Ｏ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L1との間の場
合、積分補正量はI_n＝I_n-1＋bW_n（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＋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との間の場
合、積分補正量Ｉに第１仮定値（S0−FF−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L2との間の場
合、積分補正量Ｉに第２仮定値（L0−FF−Ｔ）が代入さ
れる。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L1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L1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ため、燃焼量Ｑは、要求され
る燃焼量に近い値となる。

ｄ）FF＋Ｔ＋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ＩをＯ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

【特許請求の範囲】

【請求項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。