JPS6227403B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は内部に積分要素を含むフイードバツク
プロセス制御において、要求負荷が供給エネルギ
ー量を越えた場合に、制御が不安定となることを
防ぐ制御装置に関する。

従来の技術 従来、このフイードバツク制御係で目標値に対
して制御オフセツトをなくする目的から比例積分
制御（Ｒ・Ｉ制御）が広く応用されている。近年
ガス瞬間湯沸器の湯沸制御にこの制御を利用して
燃料ガス供給量を可変し、湯沸器の出口湯温を設
定温度に制御するものが市場にある。

以下、ガス瞬間湯沸器の制御を例にして説明し
ていく。

湯沸器の出湯温度は燃焼量／給湯量＋水温の式
で求まるが、湯沸器はバーナにより最大燃焼量が
決定され、また燃料を制御して絞つた場合にバー
ナが不完全燃焼とならない最少燃焼量も定まつて
いる。このため燃焼量を制御する場合においても
この最大燃焼量と最少燃焼量の間でないとならな
い。第１図にこの特性を示す。横軸Ｑは給湯流
量、縦軸Ｔは給湯温度上昇（給湯温度−給水温
度）を示す。図で曲線ａは最大燃焼量で燃焼した
場合、ｂは最少燃焼量で燃焼した場合の特性であ
り、曲線ａ，ｂにはさまれた部分が制御域であ
る。例えば曲線ａ，ｂの間ではバーナの燃焼量を
制御することにより給湯流量の変化があつても一
定の湯温T₁の湯を得ることが可能となる。

ここで温度T₁で流量Q₃を流すと曲線ａ上を通
り温度T₃に低下する。

また流量T₂になる場合負荷は最少燃焼量以下
となり曲線ｂ上をT₂まで上昇する。これ等を非
制御域と呼ぶ。

第２図に湯沸器の制御システム図を示す。第２
図において１は給水入口で熱交換器２で加熱され
て蛇口３から給湯する。４はガス入口で比例制御
弁５を通りバーナ６で燃焼する。５′は前記最少
燃焼量を確保するバイパスを示す。７は給湯出口
に設けられた温湯検知センサで、これからの信号
を制御器８で受け比例弁５へ出力を出す。

第３図は制御回路８内を示す従来例である。９
は直流電源で電圧Vzを出す。センサ７（ここで
は負特性感温抵抗素子を使用した）及び抵抗１
０，２１，２２はブリツジ回路を形成し、各々
の中点Ｄ，Ｅは増幅回路の演算増幅器１２（以
下オペアンプと呼ぶ）の入力端子１２ａ，１２ｂ
に入力される。オペアンプ１２では前記DEの電
位差を抵抗１４と抵抗１１の比で増幅して出力１
２ｃから出力され、これを抵抗１５，１６で分圧
した中点をトランジスタ１３のベースへ接続され
ている。トランジスタ１３のコレクタは比例弁５
（ガス比例制御式電磁弁を使用した）のコイルに
接続されて電源Vzへ至る。またエミツタは電位
Ｖを抵抗１４を通してフイードバツクすると共に
抵抗１７から電源９の一に接続される。

コンデンサ１９は積分コンデンサを示し、電位
DE間に差があればその差電圧を充電してゆき、
比例弁電流を増減させてＤ＝Ｅとなつた点まで充
電する。DEの電位の大きさによりコンデンサ１
９の充電電流の方向は異なる。

発明が解決しようとする問題点 第４図、第５図は、第３図の制御回路で制御し
た時の特性を示す。各々横軸ｔは時間、縦軸はＡ
が給湯温度、Ｂが比例弁コイル電流Ｉで燃焼量と
比例する値を示す。図のQ₁〜Q₄、T₁〜T₄は各々
第１図の記号と対応して示す。

第４図は第１図の流量Q₁からQ₄に流量変化し
た場合の図であり、流量変化と同時に電流Ｉは積
分時間により増加する。一方温度Ｔは一時低下す
るが、やがて上昇し積分時間tiの後元の温度に戻
る。この時第３図の電位Ｄ＝Ｅとなり、積分量の
増加は停止したその電流を保つ。

また第５図は非制御域Q₃から制御域Q₁へ流量
変化した場合である。非制御域Q₃では温度はT₃
しか出ない。しかしこの場合いくら積分量を増加
しても電位Ｄ＝Ｅにはならないため、積分量はい
くらでも増加してゆく。ここで流量Q₁に変更す
ればＩは積分時間で徐々に低下して来るため、な
かなかI₁にならない。。この間温度は能力第１図
の曲線ａ上を移行して温度はT₄まで上昇してし
まう。やがてI₁になつた時温度はT₁に戻るが、こ
の場合例えばT₃でシヤワーを使用していて流量
をQ₁に絞つた場合、T₄の高温が一定時間出て来
るため非常に危険であるという問題点を有する。

問題点を解決するための手段 本発明の積分要素を含む制御装置は、上記問題
点を解決するために、温度センサ等の状態検知セ
ンサを一辺に含むブリツジ回路と、内部に積分要
素を含み、ブリツジ回路の中点の電位差を増幅し
てガス量等の供給エネルギーを制御いする増幅回
路とを設け、ブリツジ回路の中点の電位差が発生
したことを検出して一定時間動作するタイマと、
このタイマ終了時まで中点電位の電位差が残つて
いる時には、非制御域であると判断して積分要素
の積分量を固定する回路と、その後ブリツジ回路
の中点電位差がなくなつた時に積分量の固定を解
除する回路を有するものである。

作 用 上記構成により、要求負荷が供給エネルギー量
を越え非制御域になつた場合、ブリツジの中点電
位差が零にならないために積分量が増加し続ける
ことを積分量を固定する回路で防ぎ、要求負荷が
制御域に戻つた時に積分時間遅れにより過大なオ
ーバシユートの発生を防止するという作用を有す
る。

実施例 以下本発明の積分要素を含む制御装置を第６図
から第８図を用いて説明する。

第６図は制御回路８の回路図の一例を示す。第
６図では第３図と同一動作とする部品は同一記号
で示す。

ブリツジ回路の中点電位Ｄ，Ｅは増幅回路
に入力されると共にタイマ回路にも入力され
る。タイマ回路の比較器２３は電位Ｄ＜Ｅにな
つた場合にHiレベル（以下ハイという）出力
し、電位Ｄ≧Ｅの時にはLowレベル（以下ローと
いう）出力となる。比較器２３の出力は抵抗２
４、コンデンサ２５からなる時限回路に入力され
る。

今、電位Ｄ＜Ｅの状態が発生し、比較器２３の
出力がハイとなれば、抵抗２４を通してコンデン
サ２５に充電され、電位Ｆは徐々に上昇してい
く。この時に電位Ｄ≧Ｅに戻つた場合は比較器２
３はロー出力になり、コンデンサ２５はダイオー
ド２６を通して放電され、電位にも低下し、次の
動作に移行しない。これは第１図で流量Q₄から
Q₁に変化させた場合に一時的にブリツジ回路
のバランスがくずれて電位Ｄ＜Ｅとなるが、これ
は増幅回路によりすぐ湯温をT₁に戻し、電位
Ｄ＝Ｅにする。この時に積分ロツク回路が動作
しない様に配慮され、タイマ回路のタイマ時間
はこれを考慮して、制御域の中で最大に負荷が変
化した時（例えば第１図のｂ線からａ線まで流量
Ｑが変化した時）に設定温度に安定するまでの積
分時間（第４図のｔ_i）よりも長くなるようにタ
イマ時間を設計している。通常は例えばｔ_iが10
秒であるとすればタイマ時間は例えば12秒に設計
される。

以上から積分ロツク回路はタイマ回路のタ
イマ時間中、電位Ｄ＜Ｅの状態が継続した場合に
のみ動作する。

今、比較器２３がハイ出力となり電位Ｆが、電
位Ｈからダイオード２７を通つた電位Ｇを越えた
時、比較器２８はハイ出力となる。比較器２８は
単安定マルチバイブレータを構成しており、比較
器２８がハイ出力されると抵抗２９とコンデンサ
３０により一定時間後電位Ｇを押し上げ、再び電
位Ｇ＞Ｆの状態になつた時、比較器２８の出力は
ローに戻る。すなわちタイマ出力電位Ｆが電位Ｇ
を越えた点から一定時間だけ比較器２８はハイ出
力されまたローに戻る。比較器２８の出力にはリ
レーコイル３１も接続されており、これにより一
定時間リレー接点３２は導通される。リレー３
１，３２はアナログスイツチや電界降下トランジ
スタを使用してもよい。

今接点３２が導通されるとコンデンサ３３には
その時点におけるトランジスタ１３のエミツタ電
位Ｖが充電され、接点３２が開いた後もこれを記
憶する。

コンデンサ３３の電位V′はオペアンプ３４の
正入力端子に接続されており、オペアンプ３４の
負入力端子にはエミツタ電位Ｖが接続されてい
る。また出力はダイオード３５を介してトランジ
スタ１３のベースに接続されている。オペアンプ
３４はボルテージフオロア回路になつており負入
力端子が正入力端子と等しくなる様に出力する構
成となつている。

このためタイマ回路動作時の電位V′以上にＶ
電位が上昇しかけると、その分をダイオード３５
を通してオペアンプ３４にバイパスしてＶ＝
V′を保つ。つまり、タイマ終了時の積分充電量
に相当する電位V′でロツクされた事になる。こ
れを積分ロツク回路と呼ぶ。

次に流量の制御域の流量（例えば第１図Q₁，
Q₄）に戻した場合電位Ｄ≧Ｅとなるため、比較器
２３の出力はローになり、これに伴いロツクを解
除する回路Ｖの比較器３６の負入力端子が零に近
い値となるため、正入力電位Ｊよりも十分に低く
なる。このため比較器３６はハイ出力されダイオ
ード３７を通してオペアンプ３４の正入力電位を
上昇させ、コンデンサ３３の両端の電位はほぼ電
源電圧Vzとなる。これによりオペアンプ３４の
出力も大きな値となり、ダイオード３５が逆バイ
アスとなる。以上からトランジスタ１３のベース
電位は、オペアンプ１２の出力に応じて変化し、
積分ロツク回路の動作は解除される。

以上の様に第６図の回路によれば非制御域にな
り一定時間電位Ｄ＜Ｅが継続すれば、その時の積
分量でロツクされて電位Ｄ≧Ｅとなるまでこれは
解除されなくなる。

この場合の応答特性を第７図Ａ，Ｂに示す。非
制御域Q₃になつた場合タイマ時間t₁後積分量はロ
ツクされ電流はI₅で制限されている。次に制御域
Q₄に戻した場合は積分量がロツクされているた
め、温度は第１図の曲線ａ上を上昇する。これに
より温度がT₁を越えた時点で、ロツクは解除さ
れ通常の動作に戻る。従つて第７図のように温度
がT₁以上になるオーバシユートが少なく速くT₁
に戻る特性となる。

尚、ここでは非制御域が最大能力時にのみ述べ
たが、同様の事が最少燃焼量時にも言える。つま
り最少燃焼域から制御域に戻つた場合、積分充電
量が多くなり過ぎて長時間設定温度が低くなる。
この場合は火傷等の危険性は少ないが非常に不快
感を感じる。そこで第８図は最大最少燃焼量どち
らの場合においても積分ロツク回路が動作する構
成としたものであり、この場合電位Ｄ〓Ｅの時に
各々に対応したロツク回路が動作しＤ＝Ｅの場合
のみロツクは解除される方式となつている。回路
動作の基本は第６図と同等であるためここで説明
は省く。

以上の説明は全て流量Ｑを変化した場合につい
て述べたが、設定温度を変更した場合も全く同様
に作用する。

つまり第１図で設定値T₁で流量Q₄で給湯して
いる状態で設定値をT₂に切替えた場合に最大能
力曲線ａ以上となるから温度はT₅となる。この
ため電位Ｄ＜Ｅとなり、積分ロツク回路が動作
する。もし積分ロツク回路がない従来の構成で
は、積分コンデンサ１９に充電され続けるため、
流量をQ₁に戻した場合に過充電された積分量が
放電するまでは温度はT₄になつてしまい、徐々
にT₂に戻る。

本発明の構成では積分ロツク回路により過充
電を防止すため、流量をQ₄からQ₁に変更した時
に温度T₅からすぐに温度T₂に移行し、温度T₄に
なることがなく安全である。

発明の効果 以上説明したように本発明の積分要素を含む制
御装置は次のような効果を有する。

(1) 要求される負荷が供給エネルギーの上限ある
いは下限を越えた非制御域になつた場合に積分
量を制限する積分ロツク回路を設ける構成とし
たため、過剰な積分を防止するために制域に戻
つた場合に過大なオーバーシユートを発生する
ことを防止できる。これは特に湯沸器の湯温制
御に応用した場合に高温湯による火傷の危険
や、低温湯による不快感をなくすることが可能
となる。

(2) タイマ回路を設け、瞬時の負荷変動では積分
ロツク回路が動作しない構成としたため、微少
な変動や瞬時の変動による誤動作を防ぎ、安定
したフイードバツク制御を可能とする。

以上のように本発明は積分要素を含むフイード
バツク制御系における欠点を解決した工業価値大
なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は瞬間湯沸器の給湯特性図、第２図は瞬
間湯沸器の制御システム図、第３図は従来の比例
積分回路図、第４図は従来の過渡応答特性図、第
５図は従来の問題点を説明する過渡応答特性図、
第６図は本発明の一実施例の回路図、第７図は第
６図の過渡応答特性図、第８図は本発明の他の実
施例における回路図である。 ５……燃料比例制御弁（供給エネルギー制御装
置）、７……湯温検知センサ（状態検知センサ）、
１９……積分コンデンサ（積分要素）、……ブ
リツジ回路、……増幅回路、……タイマ、
……積分量を固定する回路、……解除する回
路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 状態検知センサを一辺に含むブリツジ回路
   と、内部に積分要素を含み前記ブリツジ回路の中
   点の電位差を増幅して供給エネルギー制御装置を
   駆動する信号を出力する増幅回路と、前記ブリツ
   ジ回路の中点電位の差が発生したことを検出して
   動作するタイマと、前記タイマが前記積分要素の
   積分時定数よりも長い予め定められた時間カウン
   トし、カウント中に前記ブリツジ回路の中点電位
   差が継続して発生している時に、前記タイマ終了
   時の積分要素の積分量を固定する回路と、この後
   前記ブリツジ回路の中点電位差がなくなつた時に
   前記積分量を固定する回路を解除する回路とから
   なる積分要素を含む制御装置。