燃气热水器水温智能控制系统

)>+
那 么 说 .出 水 温 度 是 稳 定 的 7
定 理 8 在一个出水温度控制系统中.!"和 ,"
的调 节 范围满足 )*+式和 )-+式 的 约 束 条 件.01 满
足)5+式 的 约 束 条 件7那 么 对 任 意 给 定 的 稳 态 控 温
精 度 019.存 在 一 个 自 动 控 制 器 在 有 限 的 调 节 时 间
"#xhon$h:c@V]JKV‘@VJKHMSF‘LIV33LN|J3BJFH^%JKV‘TVJKV‘H3MLM&GHMVJ‘!HK3KHUV&^VGJQH3aJ‘HJ_GV JM^@J3UAGKHaJ‘HJ_GV3D*KH3aV‘Q^HNNHIAGKKLUL^VGJIIA‘JKVGQHMUJK@VUJKHI3#K@V‘VNL‘V!ILMaVMKHLMJG ILMK‘LGUVK@L^3^LMLKJI@HVaVSLL^ILMK‘LGLNK@VLAKGVK]JKV‘KVUFV‘JKA‘VDb3FVIHJGGQ!K@VLAKGVK]JKV‘ KVUFV‘JKA‘VH3MLKILM3KJMKAM^V‘NGAIKAJKHLM3LNK@VLAKGVK]JKV‘NGL]D *M K@H3FJFV‘! JGSL‘HK@U LN HMKVGGHSVMKILMK‘LGH3A3V^KL^VILAFGVJC*C} NAPPQILMK‘LG3Q3KVU HMKLUAGKH&C*Y} LMV3DE NAPPQILMK‘LG JGSL‘HK@U A3HMS@Q_‘H^NVV^NL‘]J‘^JM^3VGN&J^JFKHaVNVV^_JI[ILMK‘LG[VVF3K@VKVUFV‘JKA‘VLNK@VLAKGVK ]JKV‘ILM3KJMKD’J3V^LMK@VJ_LaVILMIGA3HLM!]V@JaV3AIIV33NAGGQ^VaVGLFV^K@VOAPPQWLMK‘LG|J3 %JKV‘TVJKV‘K@JK@J3_VVMFJKVMKV^HMW@HMJJM^FAKHMKL_JKI@F‘L^AIKHLMD
! 收稿万日方期数)%据555‘&0‘%0
作 者 简 介 )朱 荣 明 #%54-‘ ("西 北 工 业 大 学 副 教 授 "主 要 从 事 模 糊 控 制 理 论 与 智 能 控 制 理 论 及 其 工 程 实 现 的 研 究 *
‘ >9‘
西北工业大学学报
第 /G卷
!"#$% & !" & !"#’(
YQ3KVU3!,<<2!/d2e:66>= 622
fghijjklighmnhiopiqrionhsoitughouj vwxhiq uyznxmnhio{inhio
?@ABLMSUHMS!+JH|AJMP@LMS
d}NNHIVLN*M^A3K‘HJGCJMJSVUVMK!\L‘K@]V3KV‘M)LGQKVI@MHIJG~MHaV‘3HKQ!!HXJMZ,00Z/e
从一种 热平 衡状 态 向 另 一 种 热 平 衡 状 态 过 渡 时"受
环境 温度6机 壳 尺 寸6热 变 换 效 率 等 的 影 响"其 延 迟
时 间 也 会 不 同 *一 般 来 说 "气 阀 和 进 水 阀 为 非 线 性 调
节 元 件 *再 如 引 言 中 所 涉 及 的 诸 多 因 素 "燃 气 热 水 器
是 常 数 7;=为 燃 气 流 量 "由 气 阀 控 制 大 小 7?<为 水 比
热
系
数
"工
作
过
程
中
的
?
可
<
以
认
为
是
常
数
7?=为
水
流量"由 进 水 阀 控 制 大 小7@A 为 水 被 加 热 后 的 温
升*
同 时 "水 加 热 过 程 是 一 个 可 变 的 纯 延 迟 过 程 "设
B为 水 从 进 水 口 流 进 到 出 水 口 流 出 的 时 间"假 设 水
影 响 热 水 器 出 水 温 度 因 素 很 多 "例 如 进 水 温 度 6 进 水 流 量 6燃 气 燃 烧 值 6燃 气 流 量 6热 交 换 效 率 6机 壳 尺寸和环境温度等*而且燃气热水器的水加热过程 具 有 可 变 的 时 延 迟 特 性 "运 行 包 括 化 学 反 应 6传 热 和 流 体 运 动 等 过 程 "其 精 确 的 数 学 模 型 很 难 建 立 起 来 * 但 是 "人 采 用 直 观 判 断 来 进 行 控 制 阀 的 操 作 "往 往 能 得 到 良 好 的 水 温 控 制 效 果 *因 此 "很 自 然 地 想 到 运 用 智 能控制"把人 的 直 观 推 断 知 识 反 映 到 控 制 过 程 上 来 "以 实 现 性 能 优 良 的 控 制 *
)*+
,"#$% & ," & ,"#’(
)-+
假 设 ," 为 常 数 且 满 足 )-+式.则 根 据 )/+式.
01 的 调 节 范 围 为
23!4 ,43,"
3!"#$%
&
01 &
23!4 ,43,"
3!"#’(
)5+
对 任 意 给 定 的 01.根 据 )/+式.可 求 出 水 流 量
的范围为
关 键 词)智能控制"燃气热水器"出水温度恒温控制
中图分类号)+,’$-. /0
文 献 标 识 码 )1
文 章 编 号 )%&&&2’$03#’&&%(&%2&&452&-
燃气热水器是利用民用燃气燃料供给热水的设
备*目前使用的大部分燃气热水器采用手动燃气阀 门 和进水阀门来 控 制 燃 气 热 水 器 的 出 水 温 度"当 冷 水 入 口 温 度 6水 流 量 等 因 素 发 生 变 化 时 "出 水 温 度 也 发 生 变 化 "洗 浴 时 水 温 忽 冷 忽 热 "不 舒 适 甚 至 造 成 对 人 体的伤害7而 部 分 采 用 电 脑 常 规 控 制 方 式 的 燃 气 热 水 器"当 冷 水 入 口 温 度6水 热 量 等 因 素 发 生 变 化 时"由于对水温 采 用 以 输 出 偏 差 为 基 础 的 反 馈 控 制 方 式 "控 制 系 统 对 变 化 的 跟 踪 性 能 差 "不 易 得 到 良 好 的控制性能*
,"&
23!4 ,4301
3!"#’(
)6+
进一步.若根据)6+式计算的 ,"满足)-+式的条件.
则 01是可达的7
定 义 8 在 一个出水 温度 控制 系 统 中.对 于 任
意给定的温升 01和稳态控温精度 019.如果存在一
个有限的调节时间 :9.当 :; :9成立
<01):+= 01<& 019
)//+ 式 中 .,"9 是 燃 气 热 水 器 的 标 称 水 流 量 值 N,")_+是 _时 刻 的 水 流 量 7
)//+式 右边 第一 项 表 示.如 果 在 _时 刻 水 流 量
第 ,期
朱 荣 明 等 :燃 气 热 水 器 水 温 智 能 控 制 系 统
+ Z,+
发生了变化!相当于负载发生了扰动!则要对 "时刻 以前 的控 制累积 量 进 行 比 例 变 换#右 边 第 二 项 表 示 在额定水流量下设计的模糊控制器的输出量只要经 过比例修正就可适用于各种实际水流量条件下的气 量控制$
’&&%年 ’月 第 %5卷 第 %期
西北工业大学学报 JKLMNOPKQRKMSTUVWSVMN,KPXSVYTNZYOP[NZ\VMWZSX
]V^/源自文库’&&% _KP/%5RK/%
燃气热水器水温智能控制系统!
朱荣明"戴冠中
#西北工业大学 产业处"陕西 西安 $%&&$’(
摘 要)讨论了智能控制技术在燃气热水器中的应用*用智能控制的算法实现多输入多输出模糊控 制 系 统 的 解 耦 "采 用 前 馈 控 制 和 自 适 应 反 馈 控 制 相 结 合 的 控 制 算 法 实 现 出 水 恒 温 控 制 * 结 果 表 明 " 控 制 效 果 比 常 规 方 法 明 显 提 高 "尤 其 是 在 水 压 波 动 情 况 下 恒 温 效 果 好 *
:9 使 出 水 温 度 达 到 稳 定 7
证 明 假 设 存 在 一 个 正 整 数 ?. ? @
A01B019C.亦 即
<01= ? 3019<& 019
)D+
假设水加热过程的综合纯延迟时间的一个上界
为 E.并且控制器采用固定增量控制算法
0!" @
,43," 23!4
3019
即每控制一 次.温 升 变 化 019 且 若 以 后 保 持 控
是 充 满 整 个 水 管 的 "有
B>
CD’E F
:?%=
#’(
式 中 "D6E分 别 是 水 管 的 直 径 和 长 度 为 常 数 *
根 据 #’(式 "水 加 热 过 程 是 一 个 与 水 流 量 有 关 的
纯 延 迟 过 程 "当 热 水 器 的 出 水 温 度 改 变 时 "即 热 水 器
模糊控制器 %&’设计类似!在此不再赘述$
( 实时控制结果与比较
按 上 述 原 理 设 计 的 出 水 温 度 智 能 控 制 器!控 制 性能好!它与手 动控制和 )*+控制 的 控 制性 能 比 较 见表 ,$
-结 论
将智能控制技术应用于燃气热水器出水温度控
制 !使 燃 气 热 水 器 具 有 提 供 恒 温 热 水 的 能 力 !提 高 了 燃 气 热 水 器 使 用 的 舒 适 性 和 安 全 性 $实 际 使 用 表 明 ! 智能控制器对燃气热水器使用的气源种类不敏感! 对热 水器规 格的 准 确 性 要 求 也 不 高!因 此 具 有 广 泛 的通用性$
图 / 智能控制系统的输入输出描述
三个模糊控制器产生的控制作用都会影响出水 温 度 .在 某 一 个 控 制 时 刻 .激 活 哪 一 个 模 糊 控 制 器 有 如下的规则7
规则 / 如果需要升温.则优先调气N 规则 Q 如果需要降温.则优先调水N 规 则 * 如 果 需 要 调 水 且 温 差 较 大.则 激 活 模 糊控制器PN 规 则 - 如 果 需 要 调 水 且 温 差 较 小.则 激 活 模 糊控制器ON 规则 5 如果需要调气.则激活模糊控制器MN 规 则 6 如 果 水 量 不 是 最 大 且 温 差 较 小.则 激 活模糊控制器M7 KLR 模糊控制器S的设计 出 水 温 度 偏 差 T/ 的 模 糊 子 集 为 UVW.VX.VY. Z[.\Y.\X.\W]N出 水 温 度 偏 差 变 化 率 T4/ 的 模 糊 子 集 为 UVW.VY.Z[.\Y.\W]N气 阀 控 制 量 增 量 0^ 的 模 糊 子 集 为 UVW.VX.VY.Z[.\Y.\X.\W]7模 糊推 理方式 采用 控 制 查 询 表.解 模 糊 采 用 最 大 隶 属 度法7但是由 此求出 的气阀 控制器 增量 0^不 能直 接 用 于 控 制 气 阀 的 开 度 .还 须 经 过 下 式 的 计 算 7 !")_+@ ,",)_")=_+/+3!")_= /+H ,,")"9_+30!")_+
制量不变温升也不变7即么.经过 ? 3E时间以后.有
01):+@ 01)? 3E+@ ? 3019.F:; ? 3E
)G+
<01):+= 01<@ <01)? 3E+= 01<
@ <A01)? 3E+= ? 3019CH A? 3019= 01C<
& <01)? 3E+= ? 3019<H <? 3019= 01<
8 被控对象模型及控制特性研究
8/8 出水温度被控对象模型 在 燃 气 热 水 器 工 作 过 程"欲 获 得 一 定 温 升 的 热
水 "根 据 热 平 衡 原 理 "有
9:;<:;=> ?<:?=:@A
#%(
式 中 "9为 热 变 换 效 率 "在 工 作 过 程 的 热 平 衡 状 态 为
常数7;<为 燃 气 燃 烧 值"工 作 过 程 中 的 ;<可 以 认 为
水 加 热 过 程 是 一 种 多 因 素 6非 线 性 6强 耦 合 和 可 变 纯
延 迟控 制过程"用 常 规 控 制 手 段 很 难 获 的 满 意 的 控
制效果*
8/G 出水温度控制特性研究
在 一 个 实 际 的 燃 气 热 水 器 中"根 据 HI45-’25F
的 规 定 "气 阀 和 进 水 阀 只 能 在 一 定 的 范 围 内 调 节 *
表 . 控制性能对照表
性能
手动 )*+ 智能 控制 控制 控制
温升 /01初始调节时间 温升 /01超调 7 /08 进 水 量 变 化 超 调 7 508 时 水 量 变 化 超 调
203 4/03 51 61 51 61 ,1 /01 ,/1 491
参考文献:
, 诸 静 ;模糊控制原理与应用 ;北京:机械工业出版社!,<<9!/20=6,/ / 赵士滨 ;家用燃气具使用与维修 ;广州:广东科技出版社!,<<0!/,>=/66 6 ?@AB CDEFFGHIJKHLMLNOAPPQRLSHIHMTLUVEFFGHJMIVD*W*)XY<Z!6Z6=6Z> 2 CJG[HT ED\V] +V3HSM JM^ YKJ_HGHKQ EMJGQ3H3LN)‘LFL‘KHLMJG+V‘HaJKHaVWLMK‘LGYQ3KVUD*bbb c‘JM3LM OAPPQ
将 )D+式 和 )G+式 代 入 )/9+式 .有 <01):+= 01<& 019
)/9+ I证 毕 J
K 水温智能控制系统设计
KL8 组成万方数据 综 上 所 述.水 温 智 能 控 制 系 统 是 通 过 控 制 气 阀
和进水阀的开度来控制出水温度的7 KLK 解耦控制与调度规则
图 /所示智能控制器中包括了三个单变量二维 模糊控制器7模糊控制器M的输入变量是出水温度 偏 差 .输 出 变 量 是 气 阀 开 度 控 制 量 N模 糊 控 制 器 O 的 输入 变量是 出水 温 度 偏 差.输 出 变 量 是 进 水 阀 开 度 控 制 量 N模 糊 控 制 器 P 的 输 入 变 量 是 进 水 量 偏 差 .输 出变量为水阀开度控制量7