通過優(yōu)化燃?xì)獠膳療崴疇t硬件配置及PID算法，實(shí)現(xiàn)對燃?xì)獠膳療崴疇t衛(wèi)浴熱水性能的提升，并以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證優(yōu)化后的成效。關(guān)鍵詞：熱水性能優(yōu)化引言燃?xì)獠膳療崴疇t起源于歐洲，在歐洲已經(jīng)有超過50年的發(fā)展歷史，而中國燃?xì)獠膳療崴疇t的發(fā)展比較晚，起步于十幾年前，因此國內(nèi)燃?xì)獠膳療崴疇t在技術(shù)及性能上還與國外有較大的差距。近幾年，隨著國內(nèi)燃?xì)獠膳療崴疇t發(fā)展迅猛，且消費(fèi)者對使用觀念的改變，開始對燃?xì)獠膳療崴疇t的衛(wèi)浴熱水性能要求在逐步提高。本文對燃?xì)獠膳療崴疇t如何提高衛(wèi)浴熱水性能，從技術(shù)角度進(jìn)行分析，提出一種適用于燃?xì)獠膳療崴疇t熱水性能優(yōu)化的控制方法，并以實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)闡明優(yōu)化后的成效。
1優(yōu)化前技術(shù)探討
(1)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)國內(nèi)燃?xì)饪焖贌崴鲝囊M(jìn)日本技術(shù)開始，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，行業(yè)技術(shù)基本已經(jīng)成熟，也已經(jīng)得到廣大中國百姓的認(rèn)同，因此，燃?xì)獠膳療崴疇t的熱水性能改進(jìn)，可以以燃?xì)饪焖贌崴鞯南嚓P(guān)技術(shù)指標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)優(yōu)化的參數(shù)指標(biāo)見表1。
(2)優(yōu)化方案初步技術(shù)分析眾所周知，目前燃?xì)獠膳療崴疇t的衛(wèi)浴換熱方式都是二次換熱，從這點(diǎn)可見，燃?xì)獠膳療崴疇t最初設(shè)計(jì)的主要目的并不在衛(wèi)浴，而是在于取暖的舒適性，也正因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)，加大了熱水性能優(yōu)化的難度，但從技術(shù)角度分析，要達(dá)到優(yōu)化熱水性能的目的，可從以下兩方面考慮：
①從結(jié)構(gòu)角度考慮。燃?xì)獠膳療崴疇t熱水性能優(yōu)化的主要難點(diǎn)在于衛(wèi)浴熱水是二次換熱加熱，熱慣性大，而且存在嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，加大了PID調(diào)節(jié)的難度而燃?xì)饪焖贌崴魇侵苯訐Q熱(即一次換熱)，熱慣性小，基本不存在滯后現(xiàn)象，PID調(diào)節(jié)容易掌控。因此，如果把燃?xì)獠膳療崴疇t衛(wèi)浴換熱方式也改為一次換熱，則熱水性能優(yōu)化就很好解決了，但這種一次換熱的燃?xì)獠膳療崴疇t目前是不存在的，這還是與采暖爐最初設(shè)計(jì)的目的有關(guān)(主要用于供暖，而不是衛(wèi)浴)，因此，本文不考慮從結(jié)構(gòu)角度對采暖爐進(jìn)行熱水性能優(yōu)化。
②從電控角度考慮。燃?xì)獠膳療崴疇t熱水性能的優(yōu)或良，實(shí)際與電控設(shè)計(jì)有著密切的關(guān)系。如何加快溫度及水流量傳感器取樣的精度及速度，克服比例調(diào)節(jié)閥的磁滯回差(特別是冷態(tài)及熱態(tài)的阻值漂移)及提高比例調(diào)節(jié)閥的輸出精度提高CPU的運(yùn)算速度及優(yōu)化PID算法等等，這些技術(shù)措施都對優(yōu)化熱水性能起到關(guān)鍵的作用。本文熱水性能優(yōu)化在考慮提高性能指標(biāo)外，同時(shí)還得考慮成本的控制，因此本文從優(yōu)化硬件配置(采用精度高、響應(yīng)速度快的溫度傳感器及水流量傳感器)及PID算法兩方面采取措施實(shí)現(xiàn)熱水性能的優(yōu)化。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及原理分析
(1)系統(tǒng)硬件工作原理分析圖1為板換式熱交換方式。系統(tǒng)先在燃燒室里面加熱供暖管路里面的水，然后熱水經(jīng)過板式換熱器和衛(wèi)浴水進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到加熱衛(wèi)浴水的目的。圖2為套管式熱交換方式。系統(tǒng)先在燃燒室里面加熱外管層里的供暖水，然后再加熱內(nèi)管層里的衛(wèi)浴水，最終實(shí)現(xiàn)加熱衛(wèi)浴水的目的。
(2)系統(tǒng)軟件PID調(diào)節(jié)原理分析(見圖3)
(3)軟件設(shè)計(jì)探討1)PID算法在目前熱水器行業(yè)，PID調(diào)節(jié)是用于機(jī)器控溫的主要手段，也是目前技術(shù)最成熟的方法之一，但實(shí)際大部分廠家在PID調(diào)節(jié)控溫問題上，為了程序調(diào)節(jié)的簡便，基本只運(yùn)用了PI調(diào)節(jié)(即組成PI調(diào)節(jié)器)，微分分量在程序里沒被運(yùn)用(即D=0)。而加入微分分量調(diào)節(jié)將有助于減小超調(diào)量，克服震蕩，使系統(tǒng)輸出趨于穩(wěn)定，還可以加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)整的時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。本文在考慮燃?xì)獠膳療崴疇t存在較大的熱慣性及熱滯后特性，PID算法上考慮加入微分分量成分，組成PID調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)的程序架構(gòu)在熱水器行業(yè)里，是一種典型的閉環(huán)控制方式：系統(tǒng)根據(jù)輸入信號的偏差(本次結(jié)果與上一次結(jié)果的差值)，按照PID的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，然后將其結(jié)果用以控制輸出。以下將先對PID的一些基本運(yùn)算公式進(jìn)行闡述，同時(shí)考慮PI算法已經(jīng)為大家所熟悉，所以不作重點(diǎn)介紹，以下重點(diǎn)介紹PID算法。
①Ki積分Ki積分公式為：
(1)式中：Ti是積分時(shí)間常數(shù)，它表示積分速度的大小。積分作用的響應(yīng)特性曲線見圖4?？梢姺e分作用的特點(diǎn)：只要偏差不為零就會產(chǎn)生對應(yīng)的控制量，并根據(jù)這個(gè)控制量來影響被控量。增大Ti會減小積分作用，積分速度會越慢，減小超調(diào)，提高穩(wěn)定性反之，減小Ti會強(qiáng)化積分作用，積分速度會越快，增加超調(diào)，減低穩(wěn)定性。
②Kd微分Kd微分公式為：
(2)式中：Td為微分時(shí)間常數(shù)。微分作用的響應(yīng)特性曲線見圖5?？梢娢⒎肿饔玫奶攸c(diǎn)：微分分量對偏差的任何變化都會產(chǎn)生控制作用，以調(diào)整系統(tǒng)輸出，阻止偏差變化。偏差變化越快，則產(chǎn)生的阻止作用越大，有助于減小超調(diào)量，克服震蕩，使系統(tǒng)輸出趨于穩(wěn)定，還可以加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)整的時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。
③PID算法為了進(jìn)一步改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，把比例、積分、微分三種作用組合起來，形成PID調(diào)節(jié)器。理想的PID微分方程為：式中：y調(diào)節(jié)器的輸出信號e(t)調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于給定值與測量值之差Kp比例系數(shù)Ti積分時(shí)間常數(shù)Td微分時(shí)間常數(shù)PID調(diào)節(jié)器的輸出特性曲線見圖6.由圖6可看出PID調(diào)節(jié)作用的特點(diǎn)：曲線是Kp、Ki及Kd三個(gè)參數(shù)共同作用的結(jié)果，當(dāng)偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，Kp使控制量無限的接近于目標(biāo)值(向減少偏差的方向變化)。而這種無限接近于目標(biāo)值的變化，由于加入了D(微分)分量的影響，可以加快這種變化率，同時(shí)由于D(微分)分量具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，阻止偏差變化，讓曲線向相反方向變化(這些是PI調(diào)節(jié)器無法做到)。最后由積分分量使控制量達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值，完成一次PID的調(diào)節(jié)過程。
2)分時(shí)運(yùn)算任務(wù)設(shè)計(jì)探討在程序里，為了提高測溫的準(zhǔn)確性，往往需要進(jìn)行多次測溫，然后剔除測得結(jié)果中的最大值和最小值，把剩余的數(shù)值相加再計(jì)算平均值，這樣比較有利于抗干擾，或者由于其他原因引起的測量值波動，初期的處理是很必要的。測溫工作和PID計(jì)算一般安排在上一個(gè)輸出周期的最后階段就提前進(jìn)行。測溫次數(shù)一般在7-13次，去掉最大最小數(shù)以后保留5-11次用于運(yùn)算，均值運(yùn)算的累加部分將安排在每一次測溫以后逐步進(jìn)行，不會過多占用系統(tǒng)時(shí)間。只要系統(tǒng)的時(shí)間允許，盡可能的測多幾次，所得到的結(jié)果也會相對精確點(diǎn)，但不宜過多。PID的輸出部分可以放到系統(tǒng)定時(shí)中斷里處理，這部分占用的時(shí)間不長，可以附帶完成。
3)參數(shù)的設(shè)定與調(diào)整參數(shù)的設(shè)定與調(diào)整是PID調(diào)節(jié)中最困難的部分，P、I、D三個(gè)參數(shù)要通過反復(fù)的調(diào)試才能找到相對比較理想的參數(shù)值。建議軟件編程人員在編程時(shí)，可采用先將I,D設(shè)為0，先調(diào)好P,讓性能達(dá)到基本的響應(yīng)速度和誤差，然后再加上I,使誤差為0，最后再加入D的方法,讓性能達(dá)到最理想的狀態(tài)。
3熱水性能優(yōu)化前后效果對比按上述方案進(jìn)行優(yōu)化后，分別對12L板式采暖爐、16L套管式采暖爐及8L套管式采暖爐進(jìn)行檢測，測試結(jié)果如下：
(1)12L板式采暖爐從表3數(shù)據(jù)可見，經(jīng)性能優(yōu)化后，采暖熱水爐的加熱時(shí)間、熱水穩(wěn)定時(shí)間及水溫超調(diào)幅度都有明顯的改善，而停水溫升基本保持不變。
(2)16L套管式采暖爐從表4數(shù)據(jù)可見，經(jīng)性能優(yōu)化后，采暖熱水爐的停水溫升、熱水穩(wěn)定時(shí)間及水溫超調(diào)幅度都有明顯的改善，而加熱時(shí)間基本保持不變。③8L套管式采暖爐從表5數(shù)據(jù)可見，經(jīng)性能優(yōu)化后，采暖熱水爐的停水溫升、熱水穩(wěn)定時(shí)間及水溫超調(diào)幅度都有明顯的改善，而加熱時(shí)間基本保持不變。
4結(jié)論燃?xì)獠膳療崴疇t的熱水性能優(yōu)化實(shí)際是硬件配置及軟件PID算法共同優(yōu)化的結(jié)果，兩者必須同時(shí)具備。在硬件方面，參數(shù)及性能選擇是硬件配置的重要考量指標(biāo)，對熱水性能起到關(guān)鍵的作用，必須慎重選擇在軟件方面，加入微分分量有助于熱水性能的提高，但同時(shí)也會加大軟件調(diào)節(jié)的難度，對軟件編程人員的水平提出了更高的要求。下面對在調(diào)試過程中出現(xiàn)最多的情況進(jìn)行總結(jié)：
(1)加溫很迅速就達(dá)到目標(biāo)值，但是穩(wěn)定過程的波動很大①比例系數(shù)太大，致使在未達(dá)到設(shè)定溫度前加溫比例過高②微分系數(shù)過小，致使對對象反應(yīng)不敏感。
(2)加溫經(jīng)常達(dá)不到目標(biāo)值，小于目標(biāo)值的時(shí)間較多①比例系數(shù)過小，加溫比例不夠②積分系數(shù)過小，對恒偏差補(bǔ)償不足。
(3)基本上能夠在控制目標(biāo)上，但上下偏差偏大，經(jīng)常波動：微分系數(shù)過小，對即時(shí)變化反應(yīng)不夠快，反應(yīng)措施不力積分系數(shù)過大，使微分反應(yīng)被淹沒鈍化設(shè)定的基本定時(shí)周期過短，加熱沒有來得及傳到測溫點(diǎn)。
(4)受工作環(huán)境影響較大，在稍有變動時(shí)就會引起溫度的波動：微分系數(shù)過小，對即時(shí)變化反應(yīng)不夠快，不能及時(shí)反映設(shè)定的基本定時(shí)周期過長，不能及時(shí)得到修正。