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提高燃气采暖壁挂炉热水性能的控制方法

作者:隐年 浏览:109 次

信息摘要:

本文对燃气采暖热水炉如何提高卫浴热水性能,从技术角度进行分析,提出一种适用于燃气采暖热水炉热水性能优化的控制方法,并以实际的实验数据阐明优化后的成效。

  通过优化燃气采暖热水炉硬件配置及PID算法,实现对燃气采暖热水炉卫浴热水性能的提升,并以实验数据验证优化后的成效。  燃气采暖热水炉起源于欧洲,在欧洲已经有超过50年的发展历史,而中国燃气采暖热水炉的发展比较晚,起步于十几年前,因此国内燃气采暖热水炉在技术及性能上还与国外有较大的差距。近几年,随着国内燃气采暖热水炉发展迅猛,且消费者对使用观念的改变,开始对燃气采暖热水炉的卫浴热水性能要求在逐步提高。本文对燃气采暖热水炉如何提高卫浴热水性能,从技术角度进行分析,提出一种适用于燃气采暖热水炉热水性能优化的控制方法,并以实际的实验数据阐明优化后的成效。

采暖壁挂炉,管式采暖炉,板式采暖炉

  1 优化前技术探讨

  (1) 设计技术指标 国内燃气快速热水器从引进日本技术开始,经过几十年的发展,行业技术基本已经成熟,也已经得到广大中国百姓的认同,因此,燃气采暖热水炉的热水性能改进,可以以燃气快速热水器的相关技术指标为基础进行设计。

  (2) 优化方案初步技术分析 众所周知,目前燃气采暖热水炉的卫浴换热方式都是“二次换热”,从这点可见,燃气采暖热水炉最初设计的主要目的并不在卫浴,而是在于取暖的舒适性,也正因为这个设计,加大了热水性能优化的难度,,但从技术角度分析,要达到优化热水性能的目的,可从以下两方面考虑:

  ① 从结构角度考虑。燃气采暖热水炉热水性能优化的主要难点在于卫浴热水是“二次换热”加热,热惯性大,而且存在严重的滞后现象,加大了PID调节的难度;而燃气快速热水器是直接换热(即一次换热),热惯性小,基本不存在滞后现象,PID调节容易掌控。因此,如果把燃气采暖热水炉卫浴换热方式也改为一次换热,则热水性能优化就很好解决了,但这种一次换热的燃气采暖热水炉目前是不存在的,这还是与采暖炉最初设计的目的有关(主要用于供暖,而不是卫浴),因此,本文不考虑从结构角度对采暖炉进行热水性能优化。

  ② 从电控角度考虑。燃气采暖热水炉热水性能的优或良,实际与电控设计有着密切的关系。如何加快温度及水流量传感器取样的精度及速度,克服比例调节阀的磁滞回差(特别是冷态及热态的阻值漂移)及提高比例调节阀的输出精度;提高CPU的运算速度及优化PID算法等等,这些技术措施都对优化热水性能起到关键的作用。 本文热水性能优化在考虑提高性能指标外,同时还得考虑成本的控制,因此本文从优化硬件配置(采用精度高、响应速度快的温度传感器及水流量传感器)及PID算法两方面采取措施实现热水性能的优化。

  2 系统设计方案及原理分析

  (1) 系统硬件工作原理分析 图1为板换式热交换方式。系统先在燃烧室里面加热供暖管路里面的水,然后热水经过板式换热器和卫浴水进行热交换,从而达到加热卫浴水的目的。图2为套管式热交换方式。系统先在燃烧室里面加热外管层里的供暖水,然后再加热内管层里的卫浴水,最终实现加热卫浴水的目的。

  (2) 系统软件PID调节原理分析

  (3) 软件设计探讨 1) PID算法 在目前热水器行业,PID调节是用于机器控温的主要手段,也是目前技术最成熟的方法之一,但实际大部分厂家在PID调节控温问题上,为了程序调节的简便,基本只运用了PI调节(即组成PI调节器),微分分量在程序里没被运用(即D=0)。而加入微分分量调节将有助于减小超调量,克服震荡,使系统输出趋于稳定,还可以加快系统的动作速度,减小调整的时间,从而改善系统的动态性能。本文在考虑燃气采暖热水炉存在较大的热惯性及热滞后特性,PID算法上考虑加入微分分量成分,组成PID调节器。 PID调节的程序架构在热水器行业里,是一种典型的闭环控制方式:系统根据输入信号的偏差(本次结果与上一次结果的差值),按照PID的函数关系进行运算,然后将其结果用以控制输出。以下将先对PID的一些基本运算公式进行阐述,同时考虑PI算法已经为大家所熟悉,所以不作重点介绍,以下重点介绍PID算法。

  ①Ki积分 Ki积分公式为:

  (1) 式中:Ti是积分时间常数,它表示积分速度的大小。 积分作用的响应特性曲线见图4。 可见积分作用的特点:只要偏差不为零就会产生对应的控制量,并根据这个控制量来影响被控量。增大Ti会减小积分作用,积分速度会越慢,减小超调,提高稳定性;反之,减小Ti会强化积分作用,积分速度会越快,增加超调,减低稳定性。

  ②Kd微分 Kd微分公式为:

  (2) 式中:Td为微分时间常数。 微分作用的响应特性曲线见图5。 可见微分作用的特点:微分分量对偏差的任何变化都会产生控制作用,以调整系统输出,阻止偏差变化。偏差变化越快,则产生的阻止作用越大,有助于减小超调量,克服震荡,使系统输出趋于稳定,还可以加快系统的动作速度,减小调整的时间,从而改善系统的动态性能。

  ③ PID算法 为了进一步改善调节品质,把比例、积分、微分三种作用组合起来,形成PID调节器。 理想的PID微分方程为: 式中:y——调节器的输出信号; e(t)——调节器的偏差信号,它等于给定值与测量值之差 ; Kp —— 比例系数 ; Ti —— 积分时间常数; Td —— 微分时间常数; PID调节器的输出特性曲线见图6. 由图6可看出PID调节作用的特点:曲线是Kp、Ki及Kd三个参数共同作用的结果,当偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,Kp使控制量无限的接近于目标值(向减少偏差的方向变化)。而这种无限接近于目标值的变化,由于加入了D(微分)分量的影响,可以加快这种变化率,同时由于D(微分)分量具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,阻止偏差变化,让曲线向相反方向变化(这些是PI调节器无法做到)。最后由积分分量使控制量达到目标设定值,完成一次PID的调节过程。

  2) 分时运算任务设计探讨 在程序里,为了提高测温的准确性,往往需要进行多次测温,然后剔除测得结果中的最大值和最小值,把剩余的数值相加再计算平均值,这样比较有利于抗干扰,或者由于其他原因引起的测量值波动,初期的处理是很必要的。测温工作和PID计算一般安排在上一个输出周期的最后阶段就提前进行。测温次数一般在7-13次,去掉最大最小数以后保留5-11次用于运算,均值运算的累加部分将安排在每一次测温以后逐步进行,不会过多占用系统时间。只要系统的时间允许,尽可能的测多几次,所得到的结果也会相对精确点,但不宜过多。PID的输出部分可以放到系统定时中断里处理,这部分占用的时间不长,可以附带完成。

  3) 参数的设定与调整 参数的设定与调整是PID调节中最困难的部分,P、I、D三个参数要通过反复的调试才能找到相对比较理想的参数值。建议软件编程人员在编程时,可采用先将I,D设为0,先调好P,让性能达到基本的响应速度和误差,然后再加上I,使误差为0,最后再加入D的方法,让性能达到最理想的状态。

  3 热水性能优化前后效果对比 按上述方案进行优化后,分别对12L板式采暖炉、16L套管式采暖炉及8L套管式采暖炉进行检测,测试结果如下:

  (1) 12L板式采暖炉 从表3数据可见,经性能优化后,采暖热水炉的加热时间、热水稳定时间及水温超调幅度都有明显的改善,而停水温升基本保持不变。

  (2) 16L套管式采暖炉 从表4数据可见,经性能优化后,采暖热水炉的停水温升、热水稳定时间及水温超调幅度都有明显的改善,而加热时间基本保持不变。 ③ 8L套管式采暖炉 从表5数据可见,经性能优化后,采暖热水炉的停水温升、热水稳定时间及水温超调幅度都有明显的改善,而加热时间基本保持不变。

  4 结论 燃气采暖热水炉的热水性能优化实际是硬件配置及软件PID算法共同优化的结果,两者必须同时具备。在硬件方面,参数及性能选择是硬件配置的重要考量指标,对热水性能起到关键的作用,必须慎重选择;在软件方面,加入微分分量有助于热水性能的提高,但同时也会加大软件调节的难度,对软件编程人员的水平提出了更高的要求。下面对在调试过程中出现最多的情况进行总结:

  (1)加温很迅速就达到目标值,但是稳定过程的波动很大 ① 比例系数太大,致使在未达到设定温度前加温比例过高; ② 微分系数过小,致使对对象反应不敏感。

  (2)加温经常达不到目标值,小于目标值的时间较多 ① 比例系数过小,加温比例不够; ② 积分系数过小,对恒偏差补偿不足。

  (3)基本上能够在控制目标上,但上下偏差偏大,经常波动:微分系数过小,对即时变化反应不够快,反应措施不力;积分系数过大,使微分反应被淹没钝化;设定的基本定时周期过短,加热没有来得及传到测温点。

  (4)受工作环境影响较大,在稍有变动时就会引起温度的波动:微分系数过小,对即时变化反应不够快,不能及时反映;设定的基本定时周期过长,不能及时得到修正。

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