JPS6125975B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は負荷の温度を検知して燃料の燃焼量を
比例制御する閉ループの温度制御回路に関するも
ので、特に瞬間湯沸器等の温度制御にその効果を
発揮するものである。

従来、温度制御方式、特に瞬間湯沸器の出湯温
度制御においては高い制御精度を必要とし、比例
制御方式、比例微分方式、比例微分積分方式等の
応用が考えられた。

しかし比例制御方式では湯沸器の一次遅れ要素
があるため制御精度が悪くこの改善のために制御
ゲインを高くするとハンチング現象が発生して温
度変化が激しくなり実用にはならなかつた。また
比例微分方式は微分信号により遅れ要素を改善し
たものであるが、これは湯沸器の負荷つまり給湯
流量を変化させた場合にはオフセツトが現れ負荷
により湯温が設定温度からずれて、特にシヤワー
等の使用は不快でありまた危険でもあつた。

さらに比例微分積分方式においては積分特性に
よりオフセツトが良好となるが積分による遅れ時
間により微分特性が劣下し、湯温の過度変動が大
きくなつた。このための微分ゲインを高めればこ
れによりハンチングの原因となり最適な制御方式
を見出す事が困難であつた。

本発明はこのような欠点を改良するものであ
り、以下本発明をガス瞬間湯沸器に応用した一実
施例により図面を用いて説明する。

第１図はガス湯沸器の制御システムの概略図を
示し、水は給水口１から入つて熱交換器２で加熱
され蛇口３から給湯される。ガスはガス入口４か
ら入り制御弁５を通りバーナ６で燃焼し、熱交換
器２を加熱する。７は温度センサで熱交換器２の
出口に取付けられ給湯温度を検知し制御回路８で
比較増幅され制御回路８は制御弁５へ出力を出
す。ここで制御弁５は電磁コイルに流れる電流値
Ｉによりガス量を比例的に制御する電磁式ガス比
例制御弁である。

第２図は制御回路８をブロツク図にして示す。
第１図と同一部品は同一番号を印す。温度設定値
９、比較回路１０、第一の比例微分回路１１、第
二の微分回路１３により構成されている。ここで
従来の比例積分微分制御方式（以下PID制御と呼
ぶ）と比較して説明してゆく。第３図にPID制御
のブロツク図を、第４図にその特性を示す。

第４図で横軸ｔは時間、縦軸Ｉは比例制御弁５
の駆動電流、Ｔは湯沸器の出湯温度を示す。今、
時間t₁で負荷が増加して温度検知器の温度が低下
した場合の特性を示し、湯沸器の遅れ時間後
t₁′で検知器が検知し、微分出力が出て温度を急
激に戻し比例ゲインの所Ｇまで電流が戻つてから
積分時間Ｈで元の温度に修正してゆく。しかし微
分量が小さく積分による修正が大きいため湯温が
元に戻るまで時間を要し、この間は湯温が低いた
め不快である。また反対に温度上昇する過渡特性
の場合には火傷の危険もあつた。微分ゲインを高
くするとあまり大きくない温度偏差でも大きな微
分出力が出るためハンチングが発生するため最適
制御は困難であつた。

そこで第５図に本発明を実施した第２図に示す
回路の特性を示す。第２図の回路では第３図の回
路に対して第一の比例微分回路１１の出力で動作
する第二の微分回路１２を有し、これにより比例
積分回路１３を駆動している。第二の微分回路１
２は第一の比例微分回路１１の出力をさらに微分
するため時間t₁′での電流値は急激に上昇して湯
温を元の温度に近づけ、積分回路１３による温度
修正値は少なくなり温度の変動時間が短くなる。

第一の微分出力のピーク値は温度偏差に比例し
た値で出るが第二の微分出力のピーク値は温度偏
差に対して二次曲線的に変化して、偏差が大きい
時には非常に大きく偏差が少さくなると極端に小
さくなる。このため微分出力が大き過ぎて温度が
行過ぎた場合に出る反対方向の微分出力は非常に
小さくなり制動効果が大きくハンチングの発生を
防いでいる。

第６図にその具体回路例を示す。直流電源１４
を抵抗１５と温度設定用可変抵抗器１６及び温度
センサ７の直列回路で分圧された電位Ｄと予め設
定された規準電位Ｅを演算増幅器（以下オペアン
プと呼ぶ）１７で比較増幅している。オペアンプ
１７は抵抗１８，１９，２０、コンデンサ２１に
より比例微分増幅回路を構成し、第２図における
第一の微分回路１１に対応している。オペアンプ
２２は抵抗２３，２４、コンデンサ２５、で比例
積分回路１３を構成している。また抵抗２６コン
デンサ２７が抵抗２３と並列に接続され第二の微
分回路１２を構成している。

温度検知器７は負特性感温抵抗素子（以下セン
サと呼ぶ）を使用しており、今負荷の増加により
出湯温度が低下した場合センサ７の抵抗値が増加
する。このため電位Ｄは上昇し、電位Ｅ−Ｄ間に
電位差を発生する。これにより抵抗１８を通し、
コンデンサ２１に充電され抵抗２０，１８により
決定されるゲインで微分出力を出す。コンデンサ
２１に充電が完了した場合抵抗２０と抵抗１８，
１９の和により決定されるゲインで比例出力を出
す。つまり温度変化に判いそれに応じた比例微分
出力を反転して出力する。

この微分出力をオペアンプ２２の入力としてコ
ンデンサ２７に充電し、抵抗２６と２３の並列抵
抗と抵抗２４のゲインでさらに微分した出力を出
しコンデンサ２７の充電が完了すれば抵抗２３と
２４で決定するゲインとなる。

ここでコンデンサ２５は低抗２３で決定される
時定数で充電されてゆく積分回路により電位Ｄと
電位Ｅが等しくなるまで、つまり湯温が元に戻る
まで充電する。

オペアンプ２２の出力は抵抗２８を介してトラ
ンジスタ３０を駆動し、これにより比例制御弁５
に流れる電流値を制御する。抵抗２９はトランジ
スタ３０のベース抵抗、抵抗３１はエミツタ抵抗
を示す。ダイオード３２は比例弁コイル５の逆起
電力吸収用ダイオード、抵抗３３，３４はオペア
ンプ１７，２２の各々入力抵抗を示す。

また瞬間湯沸器でシヤワーを使用する様に湯が
人体の触れる場合は過渡特性で湯温が低下する場
合よりも湯温が上昇する場合に火傷等危険である
ため特に過渡特性を向上させる必要がある。

第７図はこの制御ブロツク図を示し、比例微分
回路１１の出力を第二の比較回路３５に入力し設
定値３６と比較している。この比較回路３５は温
度が上昇する方向の微分出力に動作し、温度上昇
が設定値３６を過える場合に遮断回路３７へ出力
する。遮断回路３７は微分出力が設定３６を過え
ている間制御弁５を閉止する出力を出すと共に比
例積分回路１３の積分量を制限する出力も出す。

つまり負荷が変動して湯温が一定値以上上昇し
た場合に発生する微分量を検知しこれにより制御
弁を強制的に閉止して温度上昇を防ぐと共に積分
量を制限して遮断復帰時における温度上昇も押え
る構成となつている。第８図にその特性を示し
t₂′，t₂″の間が遮断回路が動作して温度を強制的
に低下させる。微分出力が終了し、遮断回路が
t₂″で復帰した時に第二の微分回路が動作して再
度温度上昇を促し元の設定温度に戻す。この場合
も第二の微分回路がなかつたなら、遮断回路で温
度が低下した後元に戻る時間が長く使用者に不快
感を与える。またこの時間の遅れにより遮断回路
を介したハンチングが発生する場合もあつた。

第９図は第７図のブロツクの具体回路例を示
す。ここで第一の比例微分出力Ｊが比較器３８の
負入力端子に入力された正入力端子には規準電位
ＥよりもΔｅ高い電位E′が入力されている。通
常安定時には、積分回路を有するため電位Ｄ＝Ｅ
＝Ｊとなつている。このためＪ＜E′となり比較
器３８の負入力は正入力よりΔｅだけ低いので比
較器３８の出力はハイ出力となりほとんど電源１
４の電位となる。比較器３８の出力にはダイオー
ド３９が接続されこれが逆バイアスとなるためト
ランジスタ３０には全く影響も与えない。

次にセンサ７の温度が上昇した時電位Ｄは低下
するため比例微分出力Ｊは微分波形で上昇するの
で、Ｊ＞E′となり比較器３８は反転したロー出
力となりトランジスタ３０のベース電位がダイオ
ード３９を通して零近くに低下し、トランジスタ
３０は遮断される。この時にトランジスタ３０の
エミツタ電位Ｋも零になるため積分コンデンサ２
５に充電されていた電荷は抵抗２４，３１を通し
て放電してしまう。

時間が経過して微分出力Ｊ＜E′となつた時再
度比較器３８は反転し遮断回路の動作を終了す
る。この時第二の微分回路が動作して復帰後の電
流を瞬時大電流として温度の回復時間を早める。
反対に温度が低下した場合は電位Ｄは上昇し、Ｊ
は低下するためさらにＪ≪E′となり比較器３８
は反転しない。

また負荷が増大して湯沸器の最大能力に達した
時には比例弁５の電流を最大にしてもセンサ７の
温度は上昇しないため電位Ｄ＝Ｅとならずどんど
ん積分してゆき時間が経過すると積分コンデンサ
２５には電源電圧まで充電される。この状態で負
荷を減少させた時電流は積分時定数で徐々に低下
するためなかなか最適電流に達する事ができず、
この間出湯温度は湯沸器の最大能力近くで燃焼す
るため急激に温度上昇し、沸騰して非常に危険で
ある。

この様な時に遮断回路は湯温の上昇を検知して
制御弁５を閉止すると共に積分充電量を放電させ
るため湯温が最大能力で上昇する事を防止する働
きもする。

以上説明して来た様に本発明によれば次のよう
な効果が得られる。

１ 湯温の変動に対する微分出力が二重に微分さ
れた値であるため瞬時大きな変化が出る。これ
により過渡特性のオーバーミユート時間が短く
元の温度に戻る時間が早くなる。

２ 微分出力が二重に微分された値であるため温
度偏差に対して微分のピーク値が二次関数的に
変化し、制動効果が大きく安定した制御系が得
られ、ハンチング現象等が発生しにくい。

３ 遮断回路との組合せで遮断回路動作時の湯温
低下が小さく、元の温度に回復する時間が早
い。

４ 遮断回路との組合せで負荷の増大等でおこる
非制御域から制御域に移行時に発生する過積分
による温度上昇を防止し、遮断回路復帰後の電
流が二重で微分した値で出力されるため温度の
回復が早く遮断回路を介したハンチング等の発
生を防止する。

以上の様に種々の効果を有し特に瞬間湯沸器に
おける出湯温度制御においては非常に効果を発揮
し安全でありさらに第二の微分回路に必要な部品
は従来のPID制御方式に抵抗とコンデンサを追加
するのみであり安価に目的を達成できる工業価値
誠に大なるものである。

尚説明ではガス瞬間湯沸器の制御系で説明した
がこの他の応答速度や精度の必要な温度制御系全
てに応用可能である。

またさらに温度制御系以外のプロセス制御系に
おいても本発明を少し修正するのみで容易に達成
できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における温度制御回
路をガス瞬間湯沸器に応用した制御回路図、第２
図は同温度制御回路のブロツク図、第３図は従来
のPID制御の制御回路のブロツク図、第４図は第
３図に示すPID制御回路の過渡特性図、第５図は
第２図に示す回路の過渡特性図、第６図は第２図
に示す回路の具体回路図、第７図はオーバシユー
ト改善用遮断回路を有するブロツク図、第８図は
第７図の回路過渡特性図、第９図は第７図の具体
回路図である。 ２……熱交換器、５……比例制御弁、６……バ
ーナ、７……温度検知センサ、８……温度制御回
路、１１……第一の比例微分回路、１２……第二
の微分回路、１３……比例積分回路、１７，２２
……演算増幅器、３７……遮断回路、３８……比
較器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃料燃焼バーナと、これにより負荷の温度を
   加熱する熱交換器と、燃料通路中に設けられて前
   記バーナへの燃料の流入を制御する制御弁と、前
   記温度検知器の信号に応じて前記制御弁を駆動す
   る制御回路を有し、前記制御回路には前記温度検
   知器の信号と温度設定値を比較して信号を出力す
   る比較回路と、前記比較回路の出力により比例微
   分出力信号を出す第一の回路と、前記第一の回路
   の比例微分出力信号を微分する第二の回路と、前
   記第二の回路の出力信号を温度設定値との差に応
   じて比例積分する第三の回路を有し、前記第三の
   回路の出力信号により前記制御弁を駆動する構成
   とした温度制御回路。 ２ 一定方向の第一の回路の出力信号が予め設定
   された遮断設定値を越えた時に出力信号を出す第
   二の比較回路を有し、前記第二の比較回路の出力
   信号により第三の回路の積分量を制限すると共に
   制御弁を閉止する信号を出力する遮断回路を有す
   る特許請求の範囲第１項に記載の温度制御回路。