一種快速熱水的燃?xì)鉄崴?/h1>
2018-08-28 09:17Gaswaterheaterwithfasthotwater
家電科技 2018年8期
Gas water heater with fast hot water
左攀 李志逢
珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070
1 引言
傳統(tǒng)水溫控制主要是通過檢測實(shí)際出水溫度與用戶設(shè)置水溫的差值，通過實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)輸出功率，最終實(shí)現(xiàn)出水溫度等于用戶設(shè)置溫度。從檢測到熱水需求到恒溫輸出，系統(tǒng)需要不停的對(duì)比出水溫度與用戶設(shè)置溫度，根據(jù)兩者的差值反復(fù)修正輸出功率，最終才能實(shí)現(xiàn)出水溫度在用戶設(shè)置溫度周圍小范圍波動(dòng)（一般正負(fù)1度以內(nèi)），整個(gè)調(diào)節(jié)過程一般需要10s到20s的時(shí)間，在這一段時(shí)間內(nèi)，是無法滿足恒溫?zé)崴蟮?，用戶處于等待狀態(tài)，不僅用戶會(huì)覺得等待時(shí)間很漫長，而且往往給人浪費(fèi)水的印象。所以從用戶的角度出發(fā)，希望這個(gè)等待的時(shí)間越短越好，最好是無需等待，一打開水龍頭就有恒溫?zé)崴晒┦褂茫@樣不僅可以擁有良好的用戶體驗(yàn)，提升產(chǎn)品口碑，也可以避免水資源的浪費(fèi)。
為了提高用戶體驗(yàn)，針對(duì)用戶等待時(shí)間較長的問題，下面將對(duì)燃?xì)鉄崴鞯募訜嵯到y(tǒng)、控制算法做出優(yōu)化，盡可能的縮短用戶等待時(shí)間，提高用戶體驗(yàn)度。
2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的燃?xì)鉄崴髦饕鏖_關(guān)、換熱器、燃?xì)忾y、燃燒器、出水溫度傳感器、強(qiáng)排風(fēng)機(jī)、控制器、用戶參數(shù)輸入等功能部件組成，系統(tǒng)輸出功率的大小，只能通過出水溫度傳感器檢測值與用戶設(shè)置溫度的差值來被動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)間相對(duì)較長，為了縮短系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速熱水，需要在原有系統(tǒng)上，把水流開關(guān)升級(jí)為水流量傳感器，用于時(shí)時(shí)檢測生活熱水水流量的大小，從而根據(jù)生活熱水水流量大小主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間；增加入水溫度傳感器，用于檢測入水溫度，從而通過計(jì)算入水溫度與設(shè)置溫度的溫度差，主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)上輸出功率，進(jìn)一步縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速出熱水。系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。
2.2 部件功能介紹
水流量傳感器：主要用于用戶熱水需求檢測，產(chǎn)生加熱需求信號(hào)；由于采用了流量傳感器，在檢測用戶熱水需求的同時(shí)，還能準(zhǔn)確檢測當(dāng)前用戶水流量的大小，為后續(xù)控制器微處理器計(jì)算輸出功率提供輸入?yún)?shù)。
用戶參數(shù)設(shè)置：主要用于用戶設(shè)定出水溫度、工作模式等。
溫度傳感器：用于檢測進(jìn)出水溫度，為后續(xù)控制器微處理器計(jì)算輸出功率提供參數(shù)。
控制器：接收來自水流量傳感器的熱水需求信號(hào)及水流量參數(shù)、用戶設(shè)置水溫、來自溫度傳感器的進(jìn)出水溫度等參數(shù)，通過內(nèi)部控制邏輯，控制風(fēng)機(jī)和燃?xì)獗壤y的開啟大小，從而調(diào)節(jié)燃燒器的輸出功率，實(shí)現(xiàn)輸出功率大小調(diào)節(jié)。
燃燒器：燃?xì)馀c空氣混合燃燒，為系統(tǒng)提供熱能。
換熱器主要用來實(shí)現(xiàn)水與燃?xì)馊紵a(chǎn)生熱能的能量交換，使自來水得到加熱。
2.3 硬件實(shí)現(xiàn)方案介紹
當(dāng)用戶有熱水需求時(shí)，通過水流量傳感器能夠第一時(shí)間檢測到當(dāng)前的水流量，控制器根據(jù)當(dāng)前水流量的大小與歷史水流量的大小進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果，提前主動(dòng)調(diào)整比例閥的開度；通過進(jìn)水溫度傳感器能夠準(zhǔn)確檢測當(dāng)前的進(jìn)水溫度，控制器通過對(duì)比當(dāng)前進(jìn)水溫度與進(jìn)水溫度歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)對(duì)比結(jié)果，提前主動(dòng)調(diào)整比例閥的開度；以上根據(jù)進(jìn)水溫度和水流量大小直接主動(dòng)調(diào)節(jié)比例閥的開度，從而調(diào)整整機(jī)的輸出功率，能夠第一時(shí)間使得出水溫度快速接近用戶設(shè)定溫度，而不用等到出水溫度感溫包檢測到出水溫度后，再根據(jù)出水溫度與用戶設(shè)置溫度的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)，極大的縮短了比例調(diào)節(jié)時(shí)間。
以上通過進(jìn)水溫度和水流量大小直接主動(dòng)調(diào)節(jié)比例閥的開度，只能實(shí)現(xiàn)初步調(diào)節(jié)，使得出水溫度與用戶設(shè)置溫度大致接近，但無法實(shí)現(xiàn)精確控溫，此時(shí)再通過檢測出水溫度，利用出水溫度與用戶設(shè)置溫度的差值，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最后的精確調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)出水溫度等于用戶設(shè)置溫度。
綜上所述，先通過水流量傳感器檢測到的水流量參數(shù)與進(jìn)水溫度傳感器檢測到的進(jìn)水溫度參數(shù)，再結(jié)合歷史記錄的相關(guān)參數(shù)，提前對(duì)系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，使得出水溫度接近用戶設(shè)置溫度，縮短了水溫調(diào)節(jié)的時(shí)間；然后再通過出水感溫包檢測的出水溫度與用戶設(shè)置出水溫度形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確控溫，最終實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)快，波動(dòng)范圍小。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)
基于上述硬件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件算法，具體的流程圖如圖2所示。
參數(shù)說明：
T0：水溫恒定狀態(tài)下的出水溫度；V0：水溫恒定狀態(tài)下的水流量；P0：水溫恒定狀態(tài)下的系統(tǒng)輸出功率；T1：用戶設(shè)置出水溫度；V1：當(dāng)前水流量；Ti1：當(dāng)前進(jìn)水溫度；Ti0：恒溫輸出時(shí)的進(jìn)水溫度；P1：機(jī)組初始輸出功率；Tout：當(dāng)前出水溫度；△T：當(dāng)前出水溫度與用戶設(shè)置溫度的差值。
3.2 軟件算法及實(shí)現(xiàn)方案介紹
（1）當(dāng)檢測到用戶有熱水需求時(shí)，通過用戶設(shè)置出水溫度T1、當(dāng)前水流量V1、當(dāng)前進(jìn)水溫度Ti1、恒溫出水溫度T0、恒溫時(shí)水流量V0、恒溫輸出功率P0、恒溫輸出時(shí)的進(jìn)水溫度Ti0等參數(shù)計(jì)算出初始輸出功率值P1，P1的數(shù)學(xué)表達(dá)式：
P1=P0（1+Kt（T1-T0）/T0+Kv（V1-V0）/V0+Kti（Ti1-Ti0）/Ti0），其中Kt、Kv、Kti分別為出水溫度、水流量、進(jìn)水溫度比例常數(shù)；
（2）按照初始輸出功率P1輸出，檢測當(dāng)前出水溫度Tout；
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖
圖2 控制流程圖
（3）計(jì)算出水溫度與設(shè)置溫度的差值E。數(shù)學(xué)表達(dá)式E=T1-Tout；
（4）通過PID算法計(jì)算出輸出增量△P。數(shù)學(xué)表達(dá)式△P=E0*(Kp+Ki+Kd)-E1*(Kp+2*Kd)+E2*Kd; 其中Kp,Ki,Kd分別為PID算法的比例、積分、微分系數(shù)；
（5）最終控制輸出Pout=P1+△P，使得出水溫度達(dá)到設(shè)置溫度；
（6）待出水溫度穩(wěn)定后，記錄當(dāng)前的出水溫度值Tout，并把該溫度值賦值給恒溫出水溫度T0；記錄當(dāng)前水流量V1，并把該水流量賦值給恒溫水流量V0；記錄當(dāng)前進(jìn)水水溫Ti1，同步把該進(jìn)水溫度值賦值給恒溫進(jìn)水溫度Ti0。以上參數(shù)在水溫穩(wěn)定輸出條件下實(shí)時(shí)更新，直到檢測到熱水需求停止信號(hào)，停止參數(shù)的更新。
4 結(jié)束語
本文給出了詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的工作原理、軟件算法，按照本文提供的設(shè)計(jì)方案，可以快速設(shè)計(jì)出相應(yīng)的產(chǎn)品，經(jīng)過簡單的調(diào)試后，即可投入使用。
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2.2 部件功能介紹
水流量傳感器：主要用于用戶熱水需求檢測，產(chǎn)生加熱需求信號(hào)；由于采用了流量傳感器，在檢測用戶熱水需求的同時(shí)，還能準(zhǔn)確檢測當(dāng)前用戶水流量的大小，為后續(xù)控制器微處理器計(jì)算輸出功率提供輸入?yún)?shù)。
用戶參數(shù)設(shè)置：主要用于用戶設(shè)定出水溫度、工作模式等。
溫度傳感器：用于檢測進(jìn)出水溫度，為后續(xù)控制器微處理器計(jì)算輸出功率提供參數(shù)。
控制器：接收來自水流量傳感器的熱水需求信號(hào)及水流量參數(shù)、用戶設(shè)置水溫、來自溫度傳感器的進(jìn)出水溫度等參數(shù)，通過內(nèi)部控制邏輯，控制風(fēng)機(jī)和燃?xì)獗壤y的開啟大小，從而調(diào)節(jié)燃燒器的輸出功率，實(shí)現(xiàn)輸出功率大小調(diào)節(jié)。
燃燒器：燃?xì)馀c空氣混合燃燒，為系統(tǒng)提供熱能。
換熱器主要用來實(shí)現(xiàn)水與燃?xì)馊紵a(chǎn)生熱能的能量交換，使自來水得到加熱。
2.3 硬件實(shí)現(xiàn)方案介紹
當(dāng)用戶有熱水需求時(shí)，通過水流量傳感器能夠第一時(shí)間檢測到當(dāng)前的水流量，控制器根據(jù)當(dāng)前水流量的大小與歷史水流量的大小進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果，提前主動(dòng)調(diào)整比例閥的開度；通過進(jìn)水溫度傳感器能夠準(zhǔn)確檢測當(dāng)前的進(jìn)水溫度，控制器通過對(duì)比當(dāng)前進(jìn)水溫度與進(jìn)水溫度歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)對(duì)比結(jié)果，提前主動(dòng)調(diào)整比例閥的開度；以上根據(jù)進(jìn)水溫度和水流量大小直接主動(dòng)調(diào)節(jié)比例閥的開度，從而調(diào)整整機(jī)的輸出功率，能夠第一時(shí)間使得出水溫度快速接近用戶設(shè)定溫度，而不用等到出水溫度感溫包檢測到出水溫度后，再根據(jù)出水溫度與用戶設(shè)置溫度的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)，極大的縮短了比例調(diào)節(jié)時(shí)間。
以上通過進(jìn)水溫度和水流量大小直接主動(dòng)調(diào)節(jié)比例閥的開度，只能實(shí)現(xiàn)初步調(diào)節(jié)，使得出水溫度與用戶設(shè)置溫度大致接近，但無法實(shí)現(xiàn)精確控溫，此時(shí)再通過檢測出水溫度，利用出水溫度與用戶設(shè)置溫度的差值，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最后的精確調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)出水溫度等于用戶設(shè)置溫度。
綜上所述，先通過水流量傳感器檢測到的水流量參數(shù)與進(jìn)水溫度傳感器檢測到的進(jìn)水溫度參數(shù)，再結(jié)合歷史記錄的相關(guān)參數(shù)，提前對(duì)系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，使得出水溫度接近用戶設(shè)置溫度，縮短了水溫調(diào)節(jié)的時(shí)間；然后再通過出水感溫包檢測的出水溫度與用戶設(shè)置出水溫度形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確控溫，最終實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)快，波動(dòng)范圍小。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)
基于上述硬件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件算法，具體的流程圖如圖2所示。
參數(shù)說明：
T0：水溫恒定狀態(tài)下的出水溫度；V0：水溫恒定狀態(tài)下的水流量；P0：水溫恒定狀態(tài)下的系統(tǒng)輸出功率；T1：用戶設(shè)置出水溫度；V1：當(dāng)前水流量；Ti1：當(dāng)前進(jìn)水溫度；Ti0：恒溫輸出時(shí)的進(jìn)水溫度；P1：機(jī)組初始輸出功率；Tout：當(dāng)前出水溫度；△T：當(dāng)前出水溫度與用戶設(shè)置溫度的差值。
3.2 軟件算法及實(shí)現(xiàn)方案介紹
（1）當(dāng)檢測到用戶有熱水需求時(shí)，通過用戶設(shè)置出水溫度T1、當(dāng)前水流量V1、當(dāng)前進(jìn)水溫度Ti1、恒溫出水溫度T0、恒溫時(shí)水流量V0、恒溫輸出功率P0、恒溫輸出時(shí)的進(jìn)水溫度Ti0等參數(shù)計(jì)算出初始輸出功率值P1，P1的數(shù)學(xué)表達(dá)式：
P1=P0（1+Kt（T1-T0）/T0+Kv（V1-V0）/V0+Kti（Ti1-Ti0）/Ti0），其中Kt、Kv、Kti分別為出水溫度、水流量、進(jìn)水溫度比例常數(shù)；
（2）按照初始輸出功率P1輸出，檢測當(dāng)前出水溫度Tout；
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖
圖2 控制流程圖
（3）計(jì)算出水溫度與設(shè)置溫度的差值E。數(shù)學(xué)表達(dá)式E=T1-Tout；
（4）通過PID算法計(jì)算出輸出增量△P。數(shù)學(xué)表達(dá)式△P=E0*(Kp+Ki+Kd)-E1*(Kp+2*Kd)+E2*Kd; 其中Kp,Ki,Kd分別為PID算法的比例、積分、微分系數(shù)；
（5）最終控制輸出Pout=P1+△P，使得出水溫度達(dá)到設(shè)置溫度；
（6）待出水溫度穩(wěn)定后，記錄當(dāng)前的出水溫度值Tout，并把該溫度值賦值給恒溫出水溫度T0；記錄當(dāng)前水流量V1，并把該水流量賦值給恒溫水流量V0；記錄當(dāng)前進(jìn)水水溫Ti1，同步把該進(jìn)水溫度值賦值給恒溫進(jìn)水溫度Ti0。以上參數(shù)在水溫穩(wěn)定輸出條件下實(shí)時(shí)更新，直到檢測到熱水需求停止信號(hào)，停止參數(shù)的更新。
4 結(jié)束語
本文給出了詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的工作原理、軟件算法，按照本文提供的設(shè)計(jì)方案，可以快速設(shè)計(jì)出相應(yīng)的產(chǎn)品，經(jīng)過簡單的調(diào)試后，即可投入使用。
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