CN103940093A - 供给热水装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种供给热水装置，其利用基于温度偏差的反馈运算设定输入号数，该输入号数与要求作为控制对象的供给热水装置产生的要求产生热量相当。温度偏差是利用由史密斯补偿器计算得到的史密斯补偿温度校正出水温度相对于设定水温的偏差而得到的，该史密斯补偿器用于预测在经过与出水温度的检测延迟相对应的空白时间之前出水温度的变化量。史密斯补偿器基于输入号数、当前的史密斯补偿温度以及根据供给热水装置的流量设定的时间常数来计算在下一次的控制周期中使用的史密斯补偿温度。

Description

供给热水装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种供给热水装置，更特定地讲是涉及一种供给热水装置的水温控制。

背景技术

在日本特公平7－13543号公报及日本特开平10－141767号公报等中记载有如下内容：在供给热水装置中，利用反馈控制来调整向热水器的燃烧器供给的燃料供给量，以补偿出水温度相对于设定水温的偏差。

此外，在日本特开平4－303201号公报中记载有如下内容：将采用了史密斯控制器的控制装置应用于热水器***，该史密斯控制器用于对含有空白时间（日文：無駄時間）的控制对象进行控制。

但是，对于日本特开平4－303201号公报所记载的热水器***的控制装置，只是公开了基于传递函数的控制***的结构，对于实际的控制运算处理是如何执行的并没有做充分的记载。

另一方面，在实际使用微型计算机等实现控制***的情况下，需要考虑到不使运算负荷、存储容量过大地执行为应用史密斯法而进行的控制运算处理。

发明内容

本发明即是为了解决上述的问题点而完成的，本发明的目的在于，不使运算负荷及所需的存储容量过大地执行为对应用了史密斯法的供给热水装置进行水温控制而进行的运算处理。

在本发明的一技术方案中，供给热水装置包括：热交换器，其构成为利用由热源机构产生的热量对经过的水进行加热；温度检测器，其配置在热交换器的下游侧；流量检测器，其用于检测经过热交换器的通过流量；以及控制装置。控制装置基于由温度检测器检测到的出水温度及该出水温度的设定温度，在每个规定的控制周期中控制热源机构的产生热量。控制装置包括温度推断部和反馈控制部。温度推断部在每个控制周期中推断补偿温度，该补偿温度用于补偿由温度检测器检测到的出水温度相对于热交换器的输出温度的检测延迟。反馈控制部基于利用补偿温度校正由温度检测器检测到的出水温度和设定温度之间的偏差而得到的温度偏差，设定要求热源机构产生的要求产生热量。温度推断部构成为根据由流量检测器检测到的通过流量，设定补偿温度的变化相对于要求产生热量的变化的一阶滞后的时间常数。并且，温度推断部构成为基于本次的控制周期中的补偿温度、要求产生热量及设定好的时间常数，计算下一次的控制周期中的补偿温度。

在本发明的另一技术方案中，具有构成为利用由热源机构产生的热量对经过的进行加热的热交换器的供给热水装置的控制方法包括以下的步骤：检测经过热交换器的通过流量；基于配置在热交换器的下游侧的温度检测器的输出，检测出水温度；在每个控制周期中推断补偿温度，该补偿温度用于补偿由温度检测器检测到的上述出水温度相对于来自热交换器的输出温度的检测延迟；在每个控制周期中计算温度偏差；以及在每个控制周期中设定要求热源机构产生的要求产生热量。通过利用上述补偿温度校正出水温度的设定温度和由上述温度检测器检测到的检测温度之间的偏差来计算温度偏差。在每个控制周期中基于上述温度偏差来设定要求热源机构产生的要求产生热量。推断的步骤具有以下的步骤：根据检测到的上述通过流量，设定补偿温度的变化相对于要求产生热量的变化的一阶滞后的时间常数；以及基于本次的控制周期中的补偿温度、要求产生热量及设定好的时间常数计算下一次的控制周期中的上述补偿温度。

在上述供给热水装置及其控制方法中，不用存储控制装置的从控制开始到当前时刻期间内的操作输入（要求产生热量）的经历，而利用用于求出控制周期之间的补偿温度的变化量的简单的运算就能够计算用于补偿由温度检测器检测到的出水温度相对于热交换器的输出温度的检测延迟的补偿温度。其结果，能够不使运算负荷及所需的存储容量过大地对应用了史密斯法的供给热水装置执行水温控制。特别是，根据热交换器的流量设定计算补偿温度中的一阶滞后的时间常数，由此，还能够利用上述简单的运算提供补偿温度的精度。

这样，本发明的主要效果在于，能够不使运算负荷及所需的存储容量过大地执行用于对应用了史密斯法的供给热水装置进行水温控制的运算处理。

本发明的上述及其他的目的、特征、技术方案以及优点，将会从参照附图在以下进行的关于本发明的详细的说明中得到清楚的了解。

附图说明

图1是本发明的实施方式的供给热水装置的概略结构图。

图2是说明图1所示的供给热水装置的阶跃响应特性的概略波形图。

图3是表示用于控制供给热水装置的出水温度的反馈控制***的比较例的框图。

图4是说明利用图3所示的反馈控制***进行的水温控制的行为的概略波形图。

图5是将史密斯法应用于图3所示的控制***而得到的反馈控制***的框图。

图6是与图5所示的反馈控制***等效的框图。

图7是表示本发明的实施方式的供给热水装置中的用于水温控制的反馈控制***的框图。

图8A是用于说明导出史密斯补偿器的运算式时的近似方法的第1示意图。

图8B是用于说明导出史密斯补偿器的运算式时的近似方法的第2示意图。

图9是表示史密斯补偿器所使用的时间常数和流量之间的关系的特性图。

图10是表示本发明的实施方式的供给热水装置中的水温控制的控制处理步骤的流程图。

图11是说明本发明的实施方式的供给热水装置中的水温控制的行为的概略波形图。

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。

图1是本发明的实施方式的供给热水装置的概略结构图。

参照图1，本发明的实施方式的供给热水装置100包括供水配管110、旁路配管120、燃气燃烧器130、热交换器140、燃气比例阀150、流量调节阀160以及控制装置200。

供水配管110构成为从入水口连结到供水口。流量调节阀160***连接于供水配管110。通过利用控制装置200调整流量调节阀160的开度，能够控制出水量。

燃气燃烧器130通过燃烧从未图示的燃气配管供给来的燃气和从未图示的燃烧风机供给来的空气混合后的混合气而产生热量。供给到燃气燃烧器130的燃气压（即每单位时间的燃气供给量）可根据燃气比例阀150的开度进行控制。另外，以使在燃气燃烧器130中燃烧的空燃比维持恒定的方式对从燃烧风机供给的空气量进行控制。

由燃气燃烧器130中的燃烧所产生的热量经由热交换器140而被用于使在供水配管110中流动的水的温度上升。图1所例示的供给热水装置100构成为：将热交换器140的输出和为了不经过热交换器140而设的旁路配管120的输出混合而出水。

在供水配管110设有流量传感器210、温度传感器220和温度传感器230。利用流量传感器210对供水配管110的流量Q进行检测。温度传感器220设于热交换器140的上游侧，对入水温度Tc进行检测。温度传感器230设于热交换器140的下游侧，对出水温度Th进行检测。检测到的流量Q、入水温度Tc及出水温度Th被输入到控制装置200。即，温度传感器230与“温度检测器”的一实施例相对应。

控制装置200例如由微型计算机等构成，执行用于按照设定水温Tr对出水温度Th进行控制的水温控制。具体地讲，控制装置200构成为：计算出该水温控制所需要的由燃气燃烧器130产生的产生热量，即，计算出要求产生热量，并且按照该要求产生热量控制燃气比例阀150的开度。这样，燃气燃烧器130是能够由控制装置200控制产生热量的“热源机构”的一实施例。

当燃气燃烧器130的产生热量发生变化时，经由热交换器140而使水温上升的热量增加，因此出水温度Th发生变化。理想的情况下，通过在接近热交换器140的位置设置温度传感器230#，能够迅速地检测出水温度Th的随着燃气燃烧器130的热量变化的变化。

但是，在图1的结构例中，在来自热交换器140的输出和来自旁路配管120的输出混合的混合点145的附近，水温并不稳定。因此，在供给热水装置100中，需要自混合点145隔开一定程度地配置温度传感器230。

因而，由配置在热交换器140的下游侧的温度传感器230检测到的出水温度Th相对于其与上述水温控制要求燃气燃烧器130产生的要求产生热量的变化相对应的温度变化存在检测延迟。

在图2中，示出了说明供给热水装置100的阶跃响应特性的概略波形图。图2表示在恒定流量下使燃气燃烧器130的产生热量呈阶跃状变化的情况下，由温度传感器230检测到的出水温度Th随时间的变化。

参照图2，在Th＝T1的时刻t0，使向燃气燃烧器130供给的燃气供给压呈阶跃状增加。由此，来自热交换器140的输出温度上升，但由于温度传感器230的配置位置远离热交换器140，因此，出水温度Th自从时刻t0起经过一段时间后的时刻ta才开始上升。以下，将直到热交换器140中的温度变化被温度传感器230作为出水温度Th的变化检测出来所需的时间L定义为空白时间L。

从经过了空白时间L后的时刻ta开始，根据出水温度Th检测到在时刻t0以后来自热交换器140的输出温度的上升。另外，相对于热交换器140的产生热量的变化的温度变化能够用一阶滞后***来近似。以下，将图2中的、直到温度上升曲线在温度上升开始（时刻ta）时刻的切线与最终到达温度T2相交所需的时间T定义为一阶滞后时间T。

即，对于图1所示的供给热水装置100而言，如果将要求产生热量作为输入，将由温度传感器230检测到的出水温度Th作为输出的话，则能够表现为空白时间因素（空白时间L）和作为一阶因素（一阶滞后时间T）的温度处理因素串联连接的***。

图3中示出了表示用于控制供给热水装置100的出水温度Th的水温控制***的框图的比较例。

参照图3，控制对象300与自图1所示的供给热水装置100除去控制装置200后剩下的构成部分相对应。

像上述那样，控制对象300的传递函数用空白时间因素（e^-Ls）和温度处理因素（Gp（s））的乘积表示。

在此，Gp（s）由于是一阶滞后因素，因此使用图2所示的一阶滞后时间T以下述式（1）表示。

Gp（s）＝k／（Ts＋1）…    （1）

对控制对象300的操作输入U（s）表示对供给热水装置100的要求产生热量。此外，控制对象300的输出Y（s）是由温度传感器230检测到的出水温度Th。另外，一般来讲，在供给热水装置中，要求产生热量以号数（日文：号数）为单位进行运算。号数＝1相当于在Q＝1（L／min）的流量下使水温上升25℃所需要的热量。因而，以下，将作为操作输入U（s）的“要求产生热量”也称作输入号数。另外，式（1）中的数k是热量（号数）和水温之间的换算系数，根据上述号数的定义，用k＝25／Q表示。

控制对象300的目标值X（s）相当于设定水温Tr。运算器310求出控制对象300的目标值X（s）和输出Y（s）之间的温度偏差E（s）。用E（s)＝Tr－Th表示。

控制器320基于温度偏差E（s）运算输入号数U（s）。控制器320代表性地执行PI反馈控制。根据PI控制，控制器320的传递函数Gc（s）用式（2）表示。

Gc（s）＝Kp·E（s）＋Ki·（E（s）／s）    …（2）

式（2）中的第1项是比例控制（P控制）的运算项，第2项是积分控制（I控制）的运算项。式（2）中的Kp是P控制增益，Ki是I控制增益。

图4是说明利用图3所示的反馈控制***进行的水温控制的行为的概略波形图。图4表示在出水温度Th（t）稳定在设定水温Tr（在图4中设为恒定值）的状态下，在时刻t1产生了温度上升侧的干扰的情况。

参照图4，出水温度Th#（t）是由图1中的虚线所表示的温度传感器230#检测到的虚拟的出水温度。即，出水温度Th#（t）相当于自实际的出水温度Th（t）除掉由无用时间L引起的检测延迟后得到的温度，相当于热交换器140的输出温度。

此外，由温度传感器230检测到的实际的出水温度Th（t）相当于将图3中的输出Y（s）变换为时间域而得到的y（t）。同样，图4中的u（t）是用时间域表示图3中的输入号数U（s）而得到的。

出水温度Th#（t）虽与时刻t1的干扰输入相应地上升，但实际的出水温度Th（t）直到从时刻t1经过了空白时间L后的时刻t2才上升。当出水温度Th（t）从时刻t2开始上升时，在图3所示的反馈控制***中输出Y（s）上升。与此相应地，控制器320使操作输入向温度下降方向变化。其结果，输入号数u（t）从时刻t2开始下降。

但是，直到从时刻t2经过了空白时间L后的时刻t3，才会在出水温度Th中体现出由时刻t2之后的输入号数u（t）下降引起的出水温度的变化。因此，在利用反馈控制使出水温度Th#（t）即热交换器140的输出温度恢复到设定水温Tr的时刻tx以后，控制器320也以使输入号数u（t）继续下降的方式动作。

在时刻t3以后，由温度传感器230检测到由反馈控制的效果引起的出水温度Th（t）的下降。然后，在时刻t4，出水温度Th（t）恢复到设定水温Tr。其结果，在时刻t4之后，输入号数u（t）转变为向温度上升方向变化。

但是，在该一连串的控制动作中，由于空白时间L的影响，在时刻tx～时刻t4之间输入号数u（t）持续向温度下降方向变化，因此出水温度Th#（t）发生大幅度的下冲。其结果，实际的出水温度Th（t）也发生下冲，持续较长期间的水温低于设定水温Tr的状态。

这样，对于基于含有空白时间L地检测到的出水温度Th（t）的单纯的反馈控制（图3），难以确切地对供给热水装置100进行水温控制。特别是，当增大控制器320中的反馈增益（Kp和／或Ki）时，有可能会发生过冲、下冲。因此，无法那样地提高反馈增益，相对于设定水温Tr的控制响应性有可能降低。

像日本特开平4－303201号公报所记载的那样，为了应对含有空白时间的控制对象，以往提出了应用史密斯法的技术方案。图5示出了将史密斯法应用于图3的控制***而得到的反馈控制***的框图。

将图5与图3相比较，应用了史密斯法的反馈控制***除了包括图3所示的控制***之外，还包括史密斯补偿器350和运算器360。

史密斯补偿器350的传递函数P（s）用下述式（3）表示。

P（s）＝Gp（s）·（e^-Ls－1）    …（3）

史密斯补偿器350将输入号数U（s）和传递函数P（s）的乘积输出到运算器360。运算器360通过将由运算器310求得的温度偏差E（s）和来自史密斯补偿器350的P（s）·U（s）加在一起，计算出利用史密斯补偿校正后的温度偏差θ（s）。向控制器320输入的不是单纯的温度偏差E（s），而是利用史密斯补偿校正后的温度偏差θ（s）。

在此，由于θ（s）＝E（s）＋P（s）·U（s），因此，在图5的结构中，向控制器320的输入为θ（s）＝X（s）－Y（s）＋P（s）·U（s）＝X（s）－（Y（s）－P（s）·U（s））。即，反馈的是将实际上检测到的出水温度校正－P（s）·U（s）而得到的温度。

根据式（3），－P（s）·U（s）用下述的式（4）表示。

－P（s）·U（s）

＝－Gp（s）·U（s）·（e^-Ls－1）

＝Gp（s）·U（s）－Gp（s）·U（s）·e^-Ls    …（4）

式（4）中的第1项表示向无视空白时间L的温度处理因素Gp（s）输入输入号数U（s）而得到的输出Y（s）的预测值。此外，式（4）中的第2项表示在经过空白时间L之后向温度处理因素（Gp（s））输入输入号数U（s）而得到的输出Y（s）的变化量。

其结果，温度偏差θ（s）是在实际检测到的输出Y（s）加上直到经过空白时间L为止的输出变化的预测值并减去经过空白时间L之后的输出变化而得到的值。由此，可以理解为向控制器320输入的温度偏差θ（s）排除了空白时间L的影响。

其结果，图5所示的控制***可以等效地被替换为图6所示的反馈控制***。

参照图6，控制对象300与原本的温度处理因素302和空白时间因素304的串联连接是等效的。并且，利用图5所示的史密斯补偿器350实现将Gp（s）·U（s）与目标值X（s）进行比较的反馈控制。即，控制器320能够利用基于排除了空白时间L的影响的温度偏差的控制运算（例如式（2））来设定输入号数U（s）。

根据图6可理解，通过使用史密斯法，能够构成排除了空白时间因素304的影响的反馈环路。

因而，在本实施方式的供给热水装置100中，构筑以图5所示的应用史密斯法的反馈控制***为基础的水温控制***。

图7是表示本发明的实施方式的供给热水装置中的水温控制***的框图。图7所示的控制***用时间域表示图5所示的框图。代表性地，图7中所示的各组块的功能能够由控制装置200的软件处理来实现。

参照图7，本实施方式的供给热水装置100的水温控制***包括运算器310#、运算器360#、史密斯补偿器350#以及控制器320#。控制对象300#与用时间域表示与图3等同样地自图1所示的供给热水装置100除去控制装置200后剩下的构成部分而得到的部分相对应。

控制对象300#的出水温度Th（t）与输入号数u（t）的变化相应地发生变化。由于出水温度Th（t）是温度传感器230的检测值，因此，如图2的阶跃响应波形所示，出水温度Th（t）相对于输入号数u（t）的变化而产生的变化存在一阶滞后（一阶滞后时间T）和空白时间L。

运算器310#求出出水温度Th（t）相对于设定水温Tr（t）的偏差。运算器360#通过将运算器310#的输出和自史密斯补偿器350#输出的史密斯补偿温度Tsm（t）加在一起，计算出温度偏差Δθ（t）。控制器320#通过基于来自运算器360#的温度偏差Δθ（t）的反馈控制运算（代表性地是P控制或PI控制）设定供给热水装置100（控制对象300#）的输入号数u（t）。

史密斯补偿器350#的时间域的函数p（t）能够通过对式（3）所示的传递函数P（s）进行拉普拉斯逆变换像下述式（5）那样求得。

此外，自史密斯补偿器350输出的Tsm能够通过对传递函数P（s）·U（s）进行拉普拉斯逆变换来求得。即，式（6）中的等号左边相当于Tsm（t）。

式（6）中的Δt表示反馈控制的控制周期。作为一例，相对于供给热水装置100中的空白时间L是从几秒到20秒～30秒这样的情况，设定为Δt＝100（ms）左右。

在式（6）中，可理解为在每Δt的时间中运算的输入号数u（t）在每个控制周期中衰减×exp（－Δt／T）地反映于Tsm（t）。此外，自当前时刻比空白时间L还要之前的输入号数u（t）的影响以与经过空白时间L之前相反的极性反映于Tsm（t）。其目的在于，当经过空白时间L时，根据实际的输出（出水温度Th（t））观测过去所预测的温度变化，因此将其抵消。

根据式（6）可理解，为了像理论那样构成史密斯补偿器350，需要积累从开始控制到当前时刻的操作输入，即需要积累输入号数u（0）～输入号数u（t－Δt）的各值。这样，为了构成史密斯补偿器350，若仍然用控制软件来实现式（6）的运算的话，则控制装置200所要求的存储容量和运算负荷有可能过大。

因此，在本实施方式的供给热水装置中，为构成史密斯补偿器350而进行的控制运算做成运算控制周期内的史密斯补偿温度Tsm的变化量的形式。因此，当首先针对上述式（6）求出经过Δt后的值时，能够得到下述式（7）。

$\begin{array}{c}{\∫}_0^{t+\mathrm{\Δt}}p\left(\mathrm{\τ}\right)u(t+\mathrm{\Δt}-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}\\ =-\frac{k}{T}{\∫}_0^L{e}^{-\frac{\mathrm{\τ}}{T}}u(t+\mathrm{\Δt}-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}+\frac{k}{T}(e^{-\frac{L}{T}}-1){\∫}_L^{t+\mathrm{\Δt}}{e}^{-\frac{\mathrm{\τ}}{T}}u(t+\mathrm{\Δt}-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}\end{array}...\left(7\right)$

当运算式（7）时，能够像式（8）那样展开。另外，式（7）、式（8）中的等号左边相当于Tsm（t＋Δt）。

$\begin{array}{c}{\∫}_0^{t+\mathrm{\Δt}}p\left(\mathrm{\τ}\right)u(t+\mathrm{\Δt}-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}\\ \≈-\frac{k}{T}\left(\mathrm{\Δt}\right)\{u\left(t\right)e^{-\frac{\mathrm{\Δt}}{T}}+u(t-\mathrm{\Δt})e^{-2\frac{\mathrm{\Δt}}{T}}+...+u(t-(\frac{L}{\mathrm{\Δt}}-1)\mathrm{\Δt})e^{-\frac{L}{\mathrm{\Δt}}\frac{\mathrm{\Δt}}{T}}\}\\ +\frac{k}{T}(e^{-\frac{L}{T}}-1)\left(\mathrm{\Δt}\right)\{u(t-\frac{L}{\mathrm{\Δt}}\mathrm{\Δt})e^{-(\frac{L}{\mathrm{\Δt}}+1)\frac{\mathrm{\Δt}}{T}}+u(t-(\frac{L}{\mathrm{\Δt}}+1)\mathrm{\Δt})e^{-(\frac{L}{\mathrm{\Δt}}+2)\frac{\mathrm{\Δt}}{T}}\\ +u(t-(\frac{L}{\mathrm{\Δt}}+2)\mathrm{\Δt})e^{-(\frac{L}{\mathrm{\Δt}}+3)\frac{\mathrm{\Δt}}{T}}+...+u(0+\mathrm{\Δt})e^{-\frac{t}{T}}-u\left(0\right)e^{-\frac{t+\mathrm{\Δt}}{T}}\}\end{array}...\left(8\right)$

另外，当将式（8）与式（6）相比较时，将Tsm（t＋Δt）作为等号左边的下述的式（9）成立。

【数式5】

$\begin{array}{c}{\∫}_0^{t+\mathrm{\Δt}}p\left(\mathrm{\τ}\right)u(t+\mathrm{\Δt}-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}\\ =e^{-\frac{\mathrm{\Δt}}{T}}{\∫}_0^{t}p\left(\mathrm{\τ}\right)u(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}-\left(\frac{\mathrm{k\Δt}}{T}{e}^{-\frac{\mathrm{\Δt}}{T}}\right)u\left(t\right)+\left(\frac{\mathrm{k\Δt}}{T}{e}^{-\frac{L}{T}-(\frac{L}{\mathrm{\ΔT}}+1)\frac{\mathrm{\ΔT}}{t}}\right)u(t+\frac{L}{\mathrm{\Δt}}\mathrm{\Δt})\end{array}...\left(9\right)$

式（9）中的等号右边第1项是使前一次的控制周期中的史密斯补偿温度按照一阶滞后时间T衰减后得到的项，相当于exp（－Δt／T）×Tsm（t）。此外，等号右边第2项相当于按照一阶滞后时间T推断输入号数u（t）在控制周期Δt后引起的出水温度（热交换器140的输出温度）的变化量而得到的项。并且，等号右边第3项是基于在自当前时刻空白时间L以上的时间之前的输入号数u（t）的项。在本实施方式中，用于构成史密斯补偿器350的运算式无视该第3项。由此，得到下述的式（10）的近似式。

${\∫}_0^{t+\mathrm{\Δt}}p\left(\mathrm{\τ}\right)u(t+\mathrm{\Δt}-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}\≈e^{-\frac{\mathrm{\Δ\τ}}{T}}{\∫}_0^{t}p\left(\mathrm{\τ}\right)u(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}-\left(\frac{\mathrm{k\Δt}}{T}{e}^{-\frac{\mathrm{\Δt}}{T}}\right)u\left(t\right)...\left(10\right)$

图8A及图8B是用于说明导出式（10）时的近似方法的示意图。

在图8A中，示出了到当前时刻t0为止的输入号数u（t），并且示出了与其相对应的p（t）·u（t）。在图中，用作为到当前时刻为止的经过时间τ的函数的P（τ）表示p（t）·u（t）。例如，在图8A中示出了与u（t0）相对应的P（0）、与u（t0－Δt）相对应的P（Δt）以及与u（t0－2Δt）相对应的P（2Δt）。

如式（6）所示，在τ＜L的区域内，P（τ）按照一阶滞后时间T在每个控制周期Δt中衰减。此外，在τ≥L的区域内，P（τ）的极性相对于τ＜L的区域反转。在τ≥L的区域内，P（τ）按照空白时间L而衰减。

按照式（6），原本史密斯补偿温度Tsm（t）是由在图8A中到当前时刻为止的P（τ）的累积求得的，即是由p（t）·u（t）的累积求得的。但是，在上述式（10）的近似式中，由于无视了反映从τ＜L的区域迁移到τ≥L的区域时的变化量的项，因此等效地将τ＜L的区域积分。

因此，按照式（10）运算的史密斯补偿温度的行为与按照式（6）运算的原本的史密斯补偿温度的行为有所不同。具体地讲，在图8A的例子中，由于将τ≥L的区域排除在外，因此史密斯补偿温度的绝对值变得比原来大。

在图8B中，用附图标记510示出了按照式（6）将整个区域累积而得到的原本的史密斯补偿温度Tsm（t）的随时间的变化。相对于此，用附图标记500示出了按照式（10）的近似式仅将τ＜L的区域累积而得到的史密斯补偿温度Tsm（t）的随时间的变化。

附图标记500按照温度处理***的一阶滞后时间T衰减，另一方面，附图标记510受到一阶滞后时间T和空白时间L这两者的影响而以大于一阶滞后时间T的时间常数衰减。因此，式（10）中的时间常数T并不是直接使用温度处理因素的一阶滞后时间T，而是需要调整为与空白时间L和温度处理因素的一阶滞后时间T综合地近似。

根据上述内容，在本实施方式中，作为史密斯补偿器350的每个控制周期中的运算式采用下述式（11）的近似式。另外，式（11）表示第n个（n：自然数）控制周期中的运算。

$\mathrm{Tsm}\left[n\right]=e^{-\frac{\mathrm{\Δ\τ}}{T^{*}}}\×\mathrm{Tsm}[n-1]-\frac{\mathrm{k\Δt}}{T^{*}}\×e^{-\frac{\mathrm{\Δt}}{T^{*}}}\×u\left[n\right]...\left(11\right)$

像上述那样，在式（11）中，使用与一阶滞后时间T不同的、用于进行史密斯补偿的时间常数T*。即，式（11）中的等号右边第1项是使前一次的控制周期中的史密斯补偿温度Tsm［n－1］按照时间常数T*衰减而得到的项，等号右边第2项是按照时间常数T*推断输入号数u［n］在控制周期Δt后引起的出水温度（热交换器140的输出温度）的变化量而得到的项。这样，通过基于Tsm［n－1］及u［n］推断在从第n个控制周期到第（n＋1）个控制周期之间产生的温度变化而求出Tsm［n］。时间常数T*相当于史密斯补偿温度Tsm在控制周期（Δt）内的变化相对于输入号数的变化的一阶滞后的时间常数。

例如，如图9所示，时间常数T*具有这样的特性：时间常数T*随着由流量传感器210检测到的流量Q、即热交换器140的流量的增大而下降，随着流量Q的减小而上升。因此，能够基于实机实验或模拟结果针对供给热水装置的每种机型预先求出图9所示的特性。于是，能过按照图9中的特性预先制作用于根据流量Q求出时间常数T*的函数式或者表格。这样一来，能够通过针对每种机型切换上述表格或者函数式，使本实施方式的水温控制在不同的机型之间通用。

在图7的例子中，通过预先制作反映图9中的特性的表格355#，并且使史密斯补偿器350#使用当前的流量Q（t）来参照表格355#，能够依次设定时间常数T*。即，表格355#与“存储部”的一实施例相对应。

图10是表示本发明的实施方式的供给热水装置中的水温控制的控制处理步骤的流程图。图10示出了图7所示的反馈控制***的第n个控制周期中的处理。该处理是由控制装置200在每个规定的控制周期Δt中执行的。

参照图10，控制装置200通过步骤S100对本次的控制周期中的所需数据进行取样，具体地讲是对设定水温Tr［n］、出水温度Th［n］及流量Q［n］进行取样。

然后，控制装置200通过步骤S110，利用使用了在前一次的控制周期中计算出的史密斯补偿温度Tsn［n－1］的史密斯补偿，按照下述的式（12）计算出温度偏差Δθ（n）。另外，在n＝1时，史密斯补偿温度的初始值Tsm（0）＝0。在供给热水装置100中，每当燃烧停止时，史密斯补偿温度都被清为初始值。

Δθ［n］＝Tr［n］－（Th［n］－Tsm［n－1］）…    （12）

即，通过步骤S110的处理，能够实现图7中的运算器310#、运算器360#的功能。此外，根据式（12）可理解为由式（11）求出来的史密斯补偿温度Tsm［n］在下一次的第（n＋1）个控制周期中被使用。

进而，控制装置200通过步骤S120，基于利用史密斯补偿校正后的温度偏差Δθ［n］按照遵从下述的式（13）的反馈控制运算结果设定输入号数u［n］。

$u\left[n\right]=\mathrm{Kp}\×\frac{\mathrm{\Δ\θ}\left[n\right]}{25}\×Q\left[n\right]+\mathrm{Ki}\×\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\Δ\θ}\left[i\right]}{25}\×Q\left[n\right]...\left(13\right)$

通过步骤S120的处理，能够实现图7中的控制器320#的功能，即能够实现与“反馈控制部”相对应的功能。另外，在式（13）中，示出了利用PI控制进行的反馈控制运算的例子，但只要使用温度偏差Δθ［n］，则反馈控制的形态就不受到限定，如PID控制等或者仅是P控制。

控制装置200通过步骤S130，通过参照图7所示的表格355#，根据在步骤S100中得到的流量Q（n）求出史密斯补偿所使用的时间常数T*。然后，控制装置200通过步骤S140，基于输入号数u［n］、时间常数T*和前一次的控制周期中的史密斯补偿温度Tsm［n－1］计算下一次的控制周期中的运算所使用的Tsm［n］。具体地讲，按照代入了在步骤S130中求出来的时间常数T*的式（11），基于在步骤S120中计算得到的输入号数u［n］及前一次的控制周期中的史密斯补偿温度Tsm［n－1］计算Tsm［n］。

通过步骤S130及S140的处理，能够实现图7中的史密斯补偿器350#的功能，即能够实现与“温度推断部”相对应的功能。

图11是说明本发明的实施方式的供给热水装置中的水温控制行为的概略波形图。

参照图11，与图4的情况同样地，在出水温度Th（t）稳定在设定水温Tr的状态下，在时刻t1产生温度上升侧的干扰。在图11中，设定水温Tr恒定。

由于产生干扰，相当于热交换器140的输出温度的出水温度Th#（t）从时刻t1开始上升，由温度传感器230检测到的出水温度Th（t）直到从时刻t1经过了空白时间L后的时刻t2才开始上升。因而，输入号数u（t）及史密斯补偿温度Tsm（t）在时刻t1～时刻t2之间没有变化。

从时刻t2开始，与出水温度Th（t）的上升相应地，在图7所示的反馈控制***中，温度偏差Δθ（t）＞0。其结果，为了降低出水温度Th#（t），输入号数u（t）下降。像在图4中说明的那样，即使从时刻t2开始使输入号数u（t）下降，也是从经过空白时间L后的时刻t3才开始检测到出水温度Th（t）的降低。

但是，在图7所示的反馈控制***中，史密斯补偿温度Tsm（t）在时刻t3之前就反映输入号数u（t）的下降而降低。其结果，温度偏差θ（t）被计算得小于单纯的偏差Th（t）－Tr，以补偿出水温度Th（t）的温度检测延迟。由此，Th#（t）不会发生图4的情况那样的下冲，而是确切地恢复到设定水温Tr。

在时刻t3以后，由于史密斯补偿温度Tsm（t）的绝对值减小，因此温度偏差Δθ（t）也减小。其结果，无论出水温度Th（t）是否处于高于设定水温Tr的状态，输入号数u（t）都能够向温度上升方向变化。其结果，也能够防止出水温度Th（t）发生图4的情况那样的下冲。

这样，在本实施方式的供给热水装置中，通过导入史密斯补偿器350#，能够在由温度传感器230检测到由输入号数的变化引起的出水温度的变化之前，预测该温度变化而计算温度偏差Δθ。由此，能够等效地基于图1中的温度传感器230#的检测值、即热交换器140的输出温度执行反馈控制。

其结果，即使增大控制器320#中的反馈控制增益（Kp和／或Ki），也能够抑制发生过冲、下冲。由此，能够提高反馈增益，因此能够提高相对于设定水温Tr的控制响应性。

并且，如式（11）所示，对于史密斯补偿器350#的控制运算，不用存储从控制开始到当前时刻期间内的操作输入（输入号数）的各值，而通过着眼于来自前一次的控制周期的变化量的简单的运算，就能够计算史密斯补偿温度。其结果，能够不使控制装置200的运算负荷和所需的存储容量过大地对应用了史密斯法的供给热水装置执行水温控制。

另外，在本实施方式中，对利用应用了史密斯法的反馈控制进行的水温控制进行了说明，但也可以做成还组合有前馈控制的水温控制。在这种情况下，按照下述式（14），基于设定水温Tr、入水温度Tc及流量Q，能够计算前馈控制的输入号数uff［n］。

uff［n］＝（Tr［n］－Tc［n］）／25×Q［n］    …（14）

然后，将前馈控制的uff［n］和按照式（13）计算得到的反馈控制的输入号数u［t］之和作为表示要求供给热水装置100产生的要求产生热量的最终输入号数即可。

此外，在本实施方式中，作为产生用于对供水配管110内的水进行加热的热量的“热源机构”例示了燃气燃烧器130，但本发明的应用并不限定于这样的结构，关于这一点有明确的记载。即，只要是构成为能够与由控制装置200设定的要求产生热量（输入号数）相应地控制产生热量的结构，就可以采用任意的“热源机构”。例如可以应用燃烧石油的石油燃烧器，或者热泵机构等任意的热源来替代燃气燃烧器。

另外，在本实施方式中，作为用于检测出水温度的温度传感器的配置部位受到制约的代表例，示出了作为产生空白时间L的代表例的设有旁路配管120的结构，但本发明的应用并不限定于这样的结构，关于这一点有明确记载。即，即使在未设置旁路配管的结构的供给热水装置中，只要是温度检测产生空白时间的***，通过采用应用了上述史密斯补偿的反馈控制，也能够得到同样的效果。

对本发明的实施方式进行了说明，但应该认为本次公开的实施方式在所有的方面都是例示，并不是具有限制性的。本发明的范围由权利要求的范围来表示，指的是其包含与权利要求的范围均等的意思及在范围内的所有变更。

Claims (6)

1.一种供给热水装置，其中，包括：

热交换器，其构成为利用由热源机构产生的热量对经过的水进行加热；

温度检测器，其配置在上述热交换器的下游侧；

流量检测器，其用于检测经过上述热交换器的通过流量；以及

控制装置，其基于由上述温度检测器检测到的出水温度及该出水温度的设定温度，在每个规定的控制周期中控制上述热源机构的产生热量；

上述控制装置包括：

温度推断部，其在每个上述控制周期中推断补偿温度，该补偿温度用于补偿由上述温度检测器检测到的出水温度相对于上述热交换器的输出温度的检测延迟；以及

反馈控制部，其基于利用上述补偿温度校正由上述温度检测器检测到的出水温度和上述设定温度之间的偏差而得到的温度偏差，设定要求上述热源机构产生的要求产生热量；

上述温度推断部构成为根据由上述流量检测器检测到的上述通过流量，设定上述补偿温度的变化相对于上述要求产生热量的变化的一阶滞后的时间常数，并且，基于本次的控制周期中的上述补偿温度、上述要求产生热量及设定好的上述时间常数，计算下一次的控制周期中的上述补偿温度。

2.根据权利要求1所述的供给热水装置，其中，

上述温度推断部构成为通过以下运算来计算上述下一次的控制周期中的上述补偿温度，即，使在上述本次的控制周期中使用的上述补偿温度按照上述时间常数衰减的运算，以及按照上述时间常数求出由上述本次的控制周期的要求产生热量产生的上述热交换器的输出温度的变化量的运算。

3.根据权利要求1或2所述的供给热水装置，其中，

上述控制装置还包括存储部，该存储部用于存储预先设定好的、上述时间常数的相对于上述通过流量的特性，

上述温度推断部构成为基于当前的控制周期中的上述通过流量，按照上述存储部所存储的特性来设定上述时间常数。

4.根据权利要求3所述的供给热水装置，其中，

上述存储部能够针对上述供给热水装置的每种机型进行切换。

5.一种供给热水装置的控制方法，该供给热水装置具有构成为利用由热源机构产生的热量对经过的水进行加热的热交换器，在该供给热水装置的控制方法中，包括以下的步骤：

检测经过上述热交换器的通过流量；

基于配置在上述热交换器的下游侧的温度检测器的输出，检测出水温度；

在每个控制周期中推断补偿温度，该补偿温度用于补偿由上述温度检测器检测到的上述出水温度相对于来自上述热交换器的输出温度的检测延迟；

在上述每个控制周期中，通过利用上述补偿温度校正上述出水温度的设定温度和由上述温度检测器检测到的检测温度之间的偏差来计算温度偏差；以及

在上述每个控制周期中，基于上述温度偏差来设定要求上述热源机构产生的要求产生热量；

上述推断的步骤具有以下的步骤：

根据检测到的上述通过流量，设定上述补偿温度的变化相对于上述要求产生热量的变化的一阶滞后的时间常数；以及

基于本次的控制周期中的上述补偿温度、上述要求产生热量及设定好的上述时间常数，计算下一次的控制周期中的上述补偿温度。

6.根据权利要求5所述的供给热水装置的控制方法，其中，

在计算上述补偿温度的步骤中，通过以下运算来计算上述下一次的控制周期中的上述补偿温度，即，使在上述本次的控制周期中使用的上述补偿温度按照上述时间常数衰减的运算，以及按照上述时间常数求出由上述本次的控制周期的要求产生热量产生的上述热交换器的输出温度的变化量。