摘要：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。

关键词：热水性能  优化

引言

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。

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，具体设计优化的参数指标见表1。

(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(见图3)

 (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。

参考文献：

[1]GB 6932-2001《家用燃气快速热水器》.

[2]GB 25034-2010《燃气采暖热水炉》.

[3]GB 20665-2006《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》.

[4]《数字PID及其算法》，青岛理工大学编著.