KR920010741B1 - 온도검지소자에 의한 온도제어장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

온도검지소자에 의한 온도제어장치

제1도는 본 발명의 실시예를 나타낸 가스급탕기의 제어 장치의 기능적 구성을 나타낸 기능블록도,

제2도는 본 실시예의 가스급탕기의 구성을 나타낸 개략도,

제3도는 피측정온도와 검지온도와의 관계를 나타낸 타임챠트,

제4도는 본 발명의 작동설명을 위한 타임챠트,

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

19 : 출탕온서미스터(온도검지소자) 23 : 조절비례밸브(온도조절수단)

40 : 제어장치(온도제어장치) 51 : 온도추정부(온도차산출부)

52 : 미분치 추정부 57 : 미분동작(미분제어부)

본 발명은 온도검지소자를 설치하고, 온도검지소자의 검지신호에 의거하여 가열량을 제어하는 온도제어장치에 관한 것이며, 주로 마이크로컴퓨터에 의해 가열장치의 가열량을 피드백 제어하는 급탕기나 탕비기에 있어서의 응답지연의 개량에 관한 것이다.

예를들면, 가스급탕기 등의 연소식 급탕기에서는 사용자가 희망하는 출탕온도가 얻어지도록 하기 위해, 출탕온도를 검지하기 위한 온도검지소자로서 서미스터를 설치하고, 버너의 연소에 의한 가열량은 출탕온도와 설정온도와의 편차에 의거한 피드백 제어가 연산증폭기를 중심으로 하는 전자회로에 의해 행해지고 있다.

이 피드백 제어에서는 단지 출탕온도와 설정온도와의 편차에 의한 비례동작의 제어뿐만 아니라, 열교환기 등의 열용량등에 수반하는 잔류편차(또는 정상편차)에 의해 출탕온도가 불안정하게 되지 않도록 하기 위해서 비례동작과 함께 적분동작이 행해지는 PI동작(비례+적분동작)의 제어가 행해지며, 또한 급탕량의 변경이나 열교환기내에의 입수온도의 변화 등의 외란이 있을 경우에도 출탕온도에 변화가 적고, 응답지연이 없도록 하기 위해 미분동작을 조합한 PID동작(비례+적분+미분동작)에 의해 제어하는 것에 의해 뛰어난 출탕온도 특성이 얻어진다.

한편, 최근에는 각종 제어장치에 마이크로컴퓨터가 도입되며, 제어량을 자유롭게 설정할 수 있게 되어, 가스급탕기 등에 있어서의 온도제어장치에도 마이크로컴퓨터가 도입되고 있다.

이 때문에, 종래 연산증폭기 등에 의해 행해지고 있었던 피드백 PID제어를 마이크로컴퓨터로 치환하여 실행하는 것을 고려할 수 있다.

그러나, 출탕온도를 검지하는 서미스터의 검지온도신호를 디지털신호로 AD변환하여 마이크로컴퓨터에 입력할 때, 예를들어 0.1sec 주기로 판독될 경우에는, P동작 및 I동작에서는 서미스터 등의 온도검지소자에 의해 검지되는 피측정온도가, 출탕온도가 0.5℃정도의 차로 검출할 수 있으면 되지만, D동작을 확실하게 하기 위해서는 서미스터에 의한 검지온도에 대해, 예를들어 0.03℃정도까지 세분화되어, 그 차가 검출될 필요가 있다.

이 때문에, 이처럼 세분화하여 마이크로컴퓨터에 입력하는 데는 서미스터의 검지온도신호를 디지털 신호로 AD변환하여 입력하기 위한 입력포트가 다수 필요해지고, 마이크로컴퓨터의 하드 부담이 많아진다. 또 포트수의 증가수에 따라 프로그램도 동시에 복잡해지기 때문에, 개발시간이 길어져 개발비용이 증대한다고 하는 문제가 있다.

본 발명은 온도변화에 대응하여 조속히 온도조절을 할 수 잇고, 뛰어난 온도특성이 얻어지는 동시에, 그것을 위한 피드백 미분제어를 마이크로컴퓨터만으로 확실하게 할 수 있고, 개발에 있어서의 비용이나 기간 등의 부담을 감소시킬 수 있는 온도제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 피측정 온도를 검지하기 위한 온도검지소자를 구비하고, 이 온도검지소자에 의해 검지된 검지신호에 의거하여 온도조절수단을 피드백 제어하는 온도제어장치에 있어서, 상기 온도검지소자에 의해 검지된 검지온도의 소정 시간에 있어서의 온도차를 구하는 온도차 산출부와, 이 온도차에 의거하여 상기 피측정온도의 피분치를 추정하는 미분치 추정부와, 피드백 미분제어하는 미분제어부를 가지며, 상기 미분치에 의거하여 피드백 미분제어하는 것을 기술적 수단으로 한다.

본 발명의 온도제어장치에서는 피측정온도를 검지하는 온도검지소자의 검지온도의 소정시간마다의 온도차가 산출된다.

또 산출된 검지온도의 온도차에 의거하여 피측정온도의 미분치가 추정되고, 그 미분치에 의거하여 피드백 미분제어가 행해진다.

본 발명에서는 소정시간에 있어서의 검지온도의 온도차에 의거하여 피측정 온도의 미분치가 추정된다.

이 때문에 온도검지소자의 검지온도를 판독하기 위한 입력장치에 있어서의 온도에 대한 세분화는 소정시간을 두고 판독되었을 때에, 검지온도의 변화를 식별할 수 있을 정도이면 되기 때문에, 비례제어나 적분제어에 있어서의 정도의 세분화를 하는 것만으로, 응답성이 좋은 피드백 미분제어를 구비한 마이크로컴퓨터에 의한 온도제어를 달성할 수 있다.

따라서, 온도검지소자에 의해 검지되는 검지온도신호를 변환하여 디지털신호로 함에 있어서, 포트수를 다수로 할 필요가 없기 때문에 마이크로컴퓨터의 하드에 있어서의 부담을 적게 할 수 있다. 또, 그것을 처리하기 위한 프로그램이 간략화되기 때문에 시스템의 개발시간을 단축할 수 있어서, 개발비용을 삭감할 수 있다.

또, 상기 추정된 미분치에 의거하여 피드백 제어에 있어서 미분제어가 행해지기 때문에, 온도검지소자의 검지지연의 영향을 받지 않고, 온도변화에 대해 조속히 반응하여 제어량을 변경할 수 있다. 다음에 본 발명의 온도검지소자에 의한 온도제어장치를 실시예에 의거하여 설명한다.

제2도에 그 개략을 나타내는 가스급탕기(1)에서는 급탕기케이스(10)의 내부에 버너플레이트(11)가 배설되며, 급탕기케이스(10)에 의해 연소실(10a)과 혼합실(10b)이 형성되고, 급탕기 케이스(10)의 아래쪽에 연소용공기를 공급하는 송풍기(12)를 구비하고 있다.

송풍기(12)는 스크롤케이싱(12a)내에 임펠러(12b)를 구비하고, 도시생략의 모터에 의해 임펠러(12b)를 회전 구동한다.

스크롤케이싱(12a)에는 연료가스를 분출하는 노즐(13)이 설치되며, 급탕기케이스(10) 및 버너플레이트(11)는 송풍기(12)에 의해 공급되는 1차 공기만으로 연소하는 전체 1차 공기 연소기를 형성하고, 연소가스는 도시생략의 배기구에서 급탕기케이스(10)밖으로 배출된다.

연소실(10a)내에는 버너플레이트(11)의 근방에 꽃불방전을 하는 스파커전극(14), 불길검지를 위한 플레임로드(15)가 설치되어 있다.

또 연소실(10a)내에는 도시생략의 물공급원 및 급탕구와 각기 접속된 열교환기(16)가 설치되며, 열교환기(16)의 상류에는 열교환기(16)에 유입하는 물의 유량과 수온을 각기 검지하는 유량센서(17)와 입수온서미스터(18)가 열교환기(16)의 하류에는 가열된 탕수의 온도를 검지하기 위한 출온탕서미스터(19)가 각기 구비되어 있다.

그리고, 혼합실(10b) 내에는 송풍기(12)에 의해 공급되는 혼합기를 균등하게 버너플레이트(11)에 공급하기 위해, 다수의 구동이 설치된 정류판(10c)이 배설되어 있다.

연료가스를 노즐(13)에 공급하는 연료관(20)에는 상류측으로부터 순서대로 원전자 밸브(21), 주전자밸브(22), 연료가스의 하류측 압력을 전류치에 따라 조절하는 거버너 비례밸브(23), 연료가스를 차단하기 위한 전자밸브(24)가 각기 설치되며, 전자밸브(24)의 상류와 하류는 오리피스(25)를 구비한 바이패스관(20a)에 의해 연통되어 있다. 오리피스(25)는 스로틀 성능을 높이기 위해 설치된 것이며, 전자밸브(24)가 폐상태일 경우에는 노즐(13) 대신 오리피스(25)에 의해 연료공급량이 제한되어 소연소량이 얻어진다.

제어장치(40)는 제1도에 도시한 바와 같이, 마이크로컴퓨터로서의 중앙처리장치(CPU)(50), ROM(41), RAM(42), 각 센서 및 서미스터로부터의 아날로그신호를 처리하기 위한 멀티플렉서나 디지털 신호로 변환하기 위한 AD변환기 등을 갖는 입력인터페이스(43), 출력인터페이스(44)를 주구성으로 하고, 사용자에 의해 조작되어 희망하는 출탕온도를 설정하기 위한 콘트롤러(40a)와 동시 생략의 안전회로를 구비하여 점화제어, 연소제어의 각 제어를 한다.

CPU(50)는 ROM(41)내의 프로그램에 의해 필요한 각 제어동작을 하는 것이며, 입력인터페이스(43)로부터의 각 입력에 의거한 연산처리를 하여, 연산결과에 따라 출력인터페이스(44)를 통해 각 부를 다음과 같이 구동제어한다.

점화제어에서는 유량센서(17)에 의한 통수 신호가 전해지면 미리 설정된 시켄스로 송풍기(12), 스파커전극(14), 원전자밸브(21), 주전자밸브(22)를 각기 제어하며 점화를 한다.

연소제어에서는 각 서미스터의 저항치에서 얻어지는 온도신호와 열교환기(16)를 통과하는 수량에 따라 발생하는 유량센서(17)로부터의 펄스신호 및 콘트롤러(40a)에 의한 설정온도에 의거하여 송풍기(12), 전자밸브(24), 거버너 비교밸브(23)를 제어한다.

여기에서는 제1도에 나타낸 바와 같이 출탕온서미스터(19)로 검지되는 검지온도를 처리하기 위한 기능부로서, 실제의 출탕온도를 추정하는 온도추정부(51)와, 출탕온도의 미분치를 추정하는 미분치 추정부(52)의 각 기능부를 구비하며, 이들 추정된 미분치에 의거하여, 연소제어동작을 하여 급탕량이 변경되었을 경우에, 출탕온서미스터(19)의 응답지연에 의해, 출탕온도가 불안정하게 되지 않도록, 그 변화를 적게 하고 있다.

일반적으로 서미스터에 의해 검지되는 검지온도에는 피측정온도에 대해 응답지연에 있다.

이 때문에 온도추정부(51)에서는 출탕온서미스터(19)의 검지 온도의 변화를 이용하며 실제의 출탕온도를 추정하는 것이다.

즉, 출탕온서미스터(19)로 검지되어 판독되는 검지온도 T(t)는 열교환기(16)에서 유출하는 실제의 탕온 T out에 대해 응답지연이 있고, 급탕량의 변경 등에 의해, 예를들어 제3도에 있어서 시간 t1에 탕온 T out이 파선 A에 나타낸 바와 같이 탕온 To에서 Ta로 변화하였다고 하면, 실선 B의 출탕온서미스터(19)의 응답지연은 일반적으로

의 관계로 표시된다(τ는 서미스터의 시정수)

여기서 각 치를 시간스텝 t의 점화식으로 고쳐서 나타내면 실제의 탕온 Tout는

검지온도 T(t)는

으로 되며, 또 출탕온서미스터(19)에 의한 검지온도에 의한 온도차 Tn은

이기 때문에 앞의 각 식을 탕온 T out에 대해 정하면

여기서, [exp^t/τ-1]은 통상 1보다 큰 정수로 되며, 시간 스텝 t가 t=0.1초일 경우에는 정수 r-(rxp^t/τ-1)^-1은, r=10정도로 되기 때문에

의 관계가 얻어지며, 이것을 금번의 탕온 T out n으로서의 추정치로 한다.

따라서, 본 실시예에서는 시간 tn에 있어서의 검지온도 Tb를 탕온으로 하는 것이 아니라, 전번의 시간스텝 t의 검지온도 T n-1과, 온도차 ΔTn에서 구한 추정온도 T out n을 실제의 탕온으로 간주한다.

또, 미분치 추정부(52)는 통상 일정한 시간스텝 t(0.1ch)에서 판독되는 출탕온서미스터(19)의 검지온도로부터는 산출하기 어려운 출탕온도의 미분치를 상술한 검지온도에 의한 온도차 ΔTn을 이용하며 산출하는 것이다.

즉, 탕온 T out n, 검지 온도 Tn, 스텝간의 검지온도의 온도차 ΔTn으로 했을 때, 시간 스텝에 대한 탕온 T out n, T out n-1, …은

(r:서미스터의 응답성에 따라 결정되는 정수)의 관계로, 상기와 같이 추정할 수 있다. 따라서, 상기 각 식의 차(1-2)에서, 탕온의 미분치

여기서,

이기 때문에, 식 ④를 식 ③에 대입하면

으로 된다.

이처럼 미분치 ΔT out n을, 각 시간스텝(소정시간마다)의 검지온도의 온도차 ΔTn의 함수로서 구할 수 있다.

연소량 Q를 결정하기 위한 CPU(50)의 연소제어 동작으로서는 피드포워드 제어로서의 피드포워드 동작(FF동작)(53)과 피드백 제어로서의 비례동작(P 동작)(55), 적분동작(I동작)(56) 및 미분동작(D동작))(57)이 행해진다.

FF동작(53)은 운전개시후에 상기 온도추정부(51)에서 추정된 탕온 T out n이 설정온도 T set에 대해 소정조건으로 되기까지의 동안에 행해지는 제어동작이며, 콘트롤러(40a)에 의한 설정온도 T set, 입수온서미스터(18)로 검지되는 입수온도 Tin, 유량센서(17)로 검지되는 수량 W, 열교환율 1/eff에서 Q(FF)=(Tset-Tin)×W/eff로 연소량 Q(FF)을 비례동작(55) 및 적분동작(56)은 탕온 T out n이 설정온도 T set에 대해 소정 조건으로 되고 나서 행해지는 연소량 보정제어 동작에서 비례동작(55)에 의한 비례보정량 P는 설정온도 T set와 탕온 T out n과의 편차와 수량 W에서

로 구해진다. 여기서 E는 비례정수,

또 적분동작(56)에 의한 적분보정량 I는 설정온도 T set와 탕온 T out n과의 편차와, 수량 Wn으로부터 In=In-1+bWn·(T set-T out n)으로 구해진다. 여기서 In은 금번 구해지는 적분보정량, In-1은 전번에 구해진 적분보정량, Wn은 금번의 수량, b는 적분정수이다.

또한 미분동작(57)에 의한 미분보정량 D가

로 구해진다. 여기서 T out n은 상기 미분치추정부(52)에서 추정된 출탕온도의 미분치이며, d는 마이너의 정수이다.

이들 비례동작(55), 미분동작(56), 미분동작(57)은 상술한 FF동작(53)에 의한 연소량 Q(FF)에 대해, 각 보정량을 가산하는 동작이며, 피드백 제어로서의 연소량 Q(FB)는 Q(FB)=Q(EF)+P+I+D로 구해진다. 연소제어에서는 이렇게 해서 얻어진 연소량 Q에 대응하는 ROM(4)내의 데이터에 의거하여 송풍기(12)를 제어한다.

여기서는 결정된 연소량 Q에 대응한 송풍기(12)의 제어전압 데이타가, ROM(41)에 기억되어 있고, 연소량 Q가 주어지면 그것에 대응한 데이타가 사용되는 가스종류에 따라 CPU(50)의 연산처리에 의해 독출되며, 그것에 의거한 전압이 송풍기(12)에 인가된다.

또 거버너 비례밸브(23)에 통전전류치는 검출되는 송풍기(12)의 회전수에 의거하여 결정된다.

이상의 구성으로 이루어진 본 실시예의 가스급탕기(1)는 다음과 같이 작동한다. 사용자가 콘트롤러(40a)에 의해 출탕온도를 설정하고, 도시하지 않은 수전(水銓)을 조작하여 급탕을 개시하면, 소정의 시켄스로 점화가 행해진다. 착화가 플레임로드(15)에 의해 검지되면, 콘트롤러(40a), 각 센서 및 서미스터의 신호에 의거하여 FF동작(53)의 연소량 Q(FF)가 계산되고, 그것에 의거하여 송풍기(12)와 거버너 비례밸브(23)가 제어된다.

그후, 탕온 T out n이 소정조건으로 되면, 탕온 T out n에 의거하여 피드백 제어가 행해지며, 비례동작(55), 적분동작(56) 및 미분동작(57)에 의한 각 보정치가 구해지고, 피드백 제어에 있어서의 연소량 Q(FB)가 결정되어, 필요한 온도 To로 가열된다.

급탕중에 예를들어 제4도의 실선 C에 나타낸 바와 같이, 시간 t1에 사용자에 의해 급탕량이 변경되고 급탕량이 감소되면 실제의 출탕온도는 실선 D에 나타낸 바와 같이 상승한다.

이때, 출탕온서미스터(19)에 의해 검지되는 검지온도 T(t)는 탕온에는 추수할 수 없으며, 파선 E에 나타낸 바와 같이, 완만하게 상승한다.

이 탕온의 변화를 나타낸 미분치 T out n은 본 실시예에서는 탕온으로부터가 아니라 검지온도 T(t)의 변화량에 의거하여 산출되기 때문에, 실선 F에 나타낸 바와 같이 실제의 탕온이 변화에 따른 미분치가 얻어지며, 파선 C로 나타낸 종래의 경우처럼 미분치에 지연이 생기는 일이 없다. 따라서 시간 t1부터 시간 t2에 있어서, 실선 H에 나타낸 바와 같이, 미분보정량 D1이 얻어지며, 피드백 제어에 있어서의 미분동작(57)이 조속히 행해진다.

이 결과, 파선 I에 나타낸 종래의 경우와 같이, 미분보정치 D1이 지연되는 일은 없으며 연소량을 조속히 보정할 수 있고 출탕온도를 안정시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 실시예에서는 피드백 제어에 있어서 미분제어가 행해지며, 출탕온도의 변화에 의거하여 연소량이 조속히 변경되기 때문에 출탕온도를 설정온도 확실하게 근접시킬 수 있다.

또, 이 미분제어를 위한 출탕온도의 미분치는 서미스터에 검지된 검지온도의 변화치에 의거하여 추정되기 때문에, 출탕온서미스터에 검지되는 검지온도를 마이크로컴퓨터에 입력하기 위한 입력포트수를 비례제어나 적분제어에 있어서 필요한 정도로 세분화하는 것만으로 되기 때문에 입력포트수를 적게 설정할 수 있고, 마이크로컴퓨터의 하드의 부담을 적게 할 수 있다.

또, 그것을 처리하기 위한 프로그램이 간략화되기 때문에, 개별시간을 단축할 수 있고, 개발비용을 삭감할 수 있다.

본 실시예에서는 가스급탕기를 나타냈지만, 온수식난방기, 바닥난방, 센트럴히팅으로도 된다. 또 가열원은 가스, 석유 등에 의한 연소기기에 한정되지 않으며, 전기가열에 의한 것이라도 좋다.

Claims (1)

1. 피측정 온도를 검지하기 위한 온도검지소자를 구비하며, 이 온도검지소자에 의해 검지된 검지신호에 의거하여 온도조절수단을 피드백 제어하는 온도제어장치에 있어서, 상기 온도검지소자에 의해 검지된 검지온도의 소요시간에 있어서 온도차를 구비하는 온도차 산출부와, 이 온도차에 의거하여 상기 피측정 온도의 미분치를 추정하는 미분치 추정부와, 피드백 미분제어하는 미분제어부를 가지며, 상기 미분치에 의거하여 피드백 미분제어하는 것을 특징으로 하는 온도검지소자에 의한 온도제어장치.

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