家用燃气热水器的自适应控制系统

陈志刚

摘 要：针对家用燃气热水器的安装、使用会面临不同地域、不同气候、不同温度、不同压力和外界环境突变等情况，提出一种全新的家用燃气热水器的自适应控制系统。该控制系统能根据当前的外界环境和条件的变化自动适应，例如海拔高度、风速、温度、燃气压力和气种等，并对电子控制系统作出调整，以满足不同气种、不同气候、不同气压、外界环境和条件变化下对生活热水的需求。

关键词：家用；燃气热水器；控制系统；自适应控制

中图分类号：TS914.252 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）07-0037-02

随着技术的不断成熟，燃气热水器无论在安全性、舒适性方面还是在环保节能方面虽然已取得了不小的进展，但随着人们生活水平的提高，现有功能及使用效果仍不能满足人们对安全性、舒适性等方面提出的更高要求。

每年由于燃气热水器使用不当引发的安全事故时有发生。在高海拔区域，燃气热水器不能适应缺氧环境或达不到最佳的均衡燃烧状态，产生大量的有害气体CO，并损失一定的燃气费用；在洗澡中途关水会造成停水温升过高，停水温升过热的水放掉会造成一定的浪费，水压和气压的变化会造成热水水温波动等，这些均对燃气热水器控制技术提出了新的挑战。

1 自适应新技术的概述

在日常生活中，所谓“自适应”是指生物能改变自己的习性，以适应新环境的一种特征。因此，直观地说，自适应控制器具有能修正自己的特性，以适应对象和扰动的动态特性的变化。

燃气热水器的自适应新技术实际上就是机器自动适应外界诸多不利于均衡燃烧或恒温的环境，以安全控制为首要目的，追求、创造恒温、舒适体验的一种新技术。在其控制过程中仍然要对安装、产品维护和节能环保等方面进行综合考虑。

自适应控制理论为在普通家用燃气热水器系统中引入一些新型传感器提供了依据，例如：在燃气管道上引入压力传感器，以检测气源压力的波动；在燃烧或排烟系统中引入气体传感器，以控制燃烧；在配风系统中引入风量或风速传感器，以直接的数据定量指导配风等。系统根据检测到的实际水压、燃气气压值、温度、海拔高度和氧含量等参数，采用一些新的理论控制算法，比如自校正自适应控制算法、无模型自适应预测控制算法、多变量人工神经网络自适应控制算法等。新型传感器和控制算法的引入必然会使燃气热水器以一种新的面目出现，在性能上体现出全新的控制指标，不仅能满足高标准的要求，在环保、节能、高效、舒适方面也会使人耳目一新。

2 自适应系统控制方案设计

家用燃气热水器自适应系统的主要技术指标，除了要具备家用燃气热水器的常规技术指标外，还应具有以下特殊的性能要求：①在热水器工作过程中，水流量或燃气压力值出现大幅度、快速波动，出水温度超调应在±2 ℃范围内，稳态误差应在±0.5 ℃范围内，调节回复时间≤10 s。②热水器燃烧应始终保持燃气与空气的最佳配比，以达到均衡燃烧的状态。使燃气燃烧效率最大化，CO排放量应满足欧洲标准要求≤0.01%.③温升速度快，开机后迅速达到设定温度，调节时间≤10 s，无停水温升。④系统有完备的安全保护措施，电路安全设计需满足EN298的要求，工艺设计严谨、可靠、耐用，使用寿命应在10年以上。⑤系统有气种自动识别功能，并能按不同气种系统自动调整参数，最终燃烧输出效果相同。⑥系统显示操作界面简单，具有易操作性。可手动设定出水温度，也可根据季节、入水温度、室温智能设定出水温度，可切换和记忆。

采用以上方案，使用氧含量传感器控制燃烧效率和CO的排放，并使用氧含量传感器闭环控制配风，使用人工神经网络算法实现热水温度调节，使用步进调节混水阀进行出水温度的二次调节，使用热电偶结合算法鉴别气种。该方案对非线性快速扰动有很高的容错能力，大大提高了响应速度。根据每项输出偏差梯度采用反向传播算法，实时修改相应输入比例权重，最终达到模型参考的希望输出值。以上控制方案在燃烧效率、烟气排放、出水温度稳定性、减少超调、降低调整恢复时间、消除停水温升等方面有较好的效果。

在以上方案中，主要有以下输入量：水流量Lf、氧含量O2、气种鉴别热点偶R以及E0，EC0，E1，EC1。气种鉴别热电偶R用于鉴别气种，以选择不同的模型参考向量。软件采用多输入非线性人工神经网络模型参考自适应控制算法，图2所示的网络模型为自适应系统构建软件设计框图。

按神经网络三层前馈网络，选择足够多的隐层节点，得到的实际数据可以任意逼近于一个平滑的非线性函数，直到与所要逼近的非线性函数之间达到要求的精度。

3 结束语

通过使用自适应新控制技术的燃气热水器，在燃烧效率、烟气排放、出水温度的稳定性、减少超调，降低调整恢复时间、消除停水温升等方面都收到较好的效果。相信自适应控制技术在不久的将来会给行业带来新一轮的技术变革。

参考文献

[1]董宁.自适应控制[M].北京：北京理工大学出版社，2009.

〔编辑：白洁〕

摘 要：针对家用燃气热水器的安装、使用会面临不同地域、不同气候、不同温度、不同压力和外界环境突变等情况，提出一种全新的家用燃气热水器的自适应控制系统。该控制系统能根据当前的外界环境和条件的变化自动适应，例如海拔高度、风速、温度、燃气压力和气种等，并对电子控制系统作出调整，以满足不同气种、不同气候、不同气压、外界环境和条件变化下对生活热水的需求。

关键词：家用；燃气热水器；控制系统；自适应控制

中图分类号：TS914.252 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）07-0037-02

随着技术的不断成熟，燃气热水器无论在安全性、舒适性方面还是在环保节能方面虽然已取得了不小的进展，但随着人们生活水平的提高，现有功能及使用效果仍不能满足人们对安全性、舒适性等方面提出的更高要求。

每年由于燃气热水器使用不当引发的安全事故时有发生。在高海拔区域，燃气热水器不能适应缺氧环境或达不到最佳的均衡燃烧状态，产生大量的有害气体CO，并损失一定的燃气费用；在洗澡中途关水会造成停水温升过高，停水温升过热的水放掉会造成一定的浪费，水压和气压的变化会造成热水水温波动等，这些均对燃气热水器控制技术提出了新的挑战。

1 自适应新技术的概述

在日常生活中，所谓“自适应”是指生物能改变自己的习性，以适应新环境的一种特征。因此，直观地说，自适应控制器具有能修正自己的特性，以适应对象和扰动的动态特性的变化。

燃气热水器的自适应新技术实际上就是机器自动适应外界诸多不利于均衡燃烧或恒温的环境，以安全控制为首要目的，追求、创造恒温、舒适体验的一种新技术。在其控制过程中仍然要对安装、产品维护和节能环保等方面进行综合考虑。

自适应控制理论为在普通家用燃气热水器系统中引入一些新型传感器提供了依据，例如：在燃气管道上引入压力传感器，以检测气源压力的波动；在燃烧或排烟系统中引入气体传感器，以控制燃烧；在配风系统中引入风量或风速传感器，以直接的数据定量指导配风等。系统根据检测到的实际水压、燃气气压值、温度、海拔高度和氧含量等参数，采用一些新的理论控制算法，比如自校正自适应控制算法、无模型自适应预测控制算法、多变量人工神经网络自适应控制算法等。新型传感器和控制算法的引入必然会使燃气热水器以一种新的面目出现，在性能上体现出全新的控制指标，不仅能满足高标准的要求，在环保、节能、高效、舒适方面也会使人耳目一新。

2 自适应系统控制方案设计

家用燃气热水器自适应系统的主要技术指标，除了要具备家用燃气热水器的常规技术指标外，还应具有以下特殊的性能要求：①在热水器工作过程中，水流量或燃气压力值出现大幅度、快速波动，出水温度超调应在±2 ℃范围内，稳态误差应在±0.5 ℃范围内，调节回复时间≤10 s。②热水器燃烧应始终保持燃气与空气的最佳配比，以达到均衡燃烧的状态。使燃气燃烧效率最大化，CO排放量应满足欧洲标准要求≤0.01%.③温升速度快，开机后迅速达到设定温度，调节时间≤10 s，无停水温升。④系统有完备的安全保护措施，电路安全设计需满足EN298的要求，工艺设计严谨、可靠、耐用，使用寿命应在10年以上。⑤系统有气种自动识别功能，并能按不同气种系统自动调整参数，最终燃烧输出效果相同。⑥系统显示操作界面简单，具有易操作性。可手动设定出水温度，也可根据季节、入水温度、室温智能设定出水温度，可切换和记忆。

采用以上方案，使用氧含量传感器控制燃烧效率和CO的排放，并使用氧含量传感器闭环控制配风，使用人工神经网络算法实现热水温度调节，使用步进调节混水阀进行出水温度的二次调节，使用热电偶结合算法鉴别气种。该方案对非线性快速扰动有很高的容错能力，大大提高了响应速度。根据每项输出偏差梯度采用反向传播算法，实时修改相应输入比例权重，最终达到模型参考的希望输出值。以上控制方案在燃烧效率、烟气排放、出水温度稳定性、减少超调、降低调整恢复时间、消除停水温升等方面有较好的效果。

在以上方案中，主要有以下输入量：水流量Lf、氧含量O2、气种鉴别热点偶R以及E0，EC0，E1，EC1。气种鉴别热电偶R用于鉴别气种，以选择不同的模型参考向量。软件采用多输入非线性人工神经网络模型参考自适应控制算法，图2所示的网络模型为自适应系统构建软件设计框图。

按神经网络三层前馈网络，选择足够多的隐层节点，得到的实际数据可以任意逼近于一个平滑的非线性函数，直到与所要逼近的非线性函数之间达到要求的精度。

3 结束语

通过使用自适应新控制技术的燃气热水器，在燃烧效率、烟气排放、出水温度的稳定性、减少超调，降低调整恢复时间、消除停水温升等方面都收到较好的效果。相信自适应控制技术在不久的将来会给行业带来新一轮的技术变革。

参考文献

[1]董宁.自适应控制[M].北京：北京理工大学出版社，2009.

〔编辑：白洁〕

摘 要：针对家用燃气热水器的安装、使用会面临不同地域、不同气候、不同温度、不同压力和外界环境突变等情况，提出一种全新的家用燃气热水器的自适应控制系统。该控制系统能根据当前的外界环境和条件的变化自动适应，例如海拔高度、风速、温度、燃气压力和气种等，并对电子控制系统作出调整，以满足不同气种、不同气候、不同气压、外界环境和条件变化下对生活热水的需求。

关键词：家用；燃气热水器；控制系统；自适应控制

中图分类号：TS914.252 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）07-0037-02

随着技术的不断成熟，燃气热水器无论在安全性、舒适性方面还是在环保节能方面虽然已取得了不小的进展，但随着人们生活水平的提高，现有功能及使用效果仍不能满足人们对安全性、舒适性等方面提出的更高要求。

每年由于燃气热水器使用不当引发的安全事故时有发生。在高海拔区域，燃气热水器不能适应缺氧环境或达不到最佳的均衡燃烧状态，产生大量的有害气体CO，并损失一定的燃气费用；在洗澡中途关水会造成停水温升过高，停水温升过热的水放掉会造成一定的浪费，水压和气压的变化会造成热水水温波动等，这些均对燃气热水器控制技术提出了新的挑战。

1 自适应新技术的概述

在日常生活中，所谓“自适应”是指生物能改变自己的习性，以适应新环境的一种特征。因此，直观地说，自适应控制器具有能修正自己的特性，以适应对象和扰动的动态特性的变化。

燃气热水器的自适应新技术实际上就是机器自动适应外界诸多不利于均衡燃烧或恒温的环境，以安全控制为首要目的，追求、创造恒温、舒适体验的一种新技术。在其控制过程中仍然要对安装、产品维护和节能环保等方面进行综合考虑。

自适应控制理论为在普通家用燃气热水器系统中引入一些新型传感器提供了依据，例如：在燃气管道上引入压力传感器，以检测气源压力的波动；在燃烧或排烟系统中引入气体传感器，以控制燃烧；在配风系统中引入风量或风速传感器，以直接的数据定量指导配风等。系统根据检测到的实际水压、燃气气压值、温度、海拔高度和氧含量等参数，采用一些新的理论控制算法，比如自校正自适应控制算法、无模型自适应预测控制算法、多变量人工神经网络自适应控制算法等。新型传感器和控制算法的引入必然会使燃气热水器以一种新的面目出现，在性能上体现出全新的控制指标，不仅能满足高标准的要求，在环保、节能、高效、舒适方面也会使人耳目一新。

2 自适应系统控制方案设计

家用燃气热水器自适应系统的主要技术指标，除了要具备家用燃气热水器的常规技术指标外，还应具有以下特殊的性能要求：①在热水器工作过程中，水流量或燃气压力值出现大幅度、快速波动，出水温度超调应在±2 ℃范围内，稳态误差应在±0.5 ℃范围内，调节回复时间≤10 s。②热水器燃烧应始终保持燃气与空气的最佳配比，以达到均衡燃烧的状态。使燃气燃烧效率最大化，CO排放量应满足欧洲标准要求≤0.01%.③温升速度快，开机后迅速达到设定温度，调节时间≤10 s，无停水温升。④系统有完备的安全保护措施，电路安全设计需满足EN298的要求，工艺设计严谨、可靠、耐用，使用寿命应在10年以上。⑤系统有气种自动识别功能，并能按不同气种系统自动调整参数，最终燃烧输出效果相同。⑥系统显示操作界面简单，具有易操作性。可手动设定出水温度，也可根据季节、入水温度、室温智能设定出水温度，可切换和记忆。

采用以上方案，使用氧含量传感器控制燃烧效率和CO的排放，并使用氧含量传感器闭环控制配风，使用人工神经网络算法实现热水温度调节，使用步进调节混水阀进行出水温度的二次调节，使用热电偶结合算法鉴别气种。该方案对非线性快速扰动有很高的容错能力，大大提高了响应速度。根据每项输出偏差梯度采用反向传播算法，实时修改相应输入比例权重，最终达到模型参考的希望输出值。以上控制方案在燃烧效率、烟气排放、出水温度稳定性、减少超调、降低调整恢复时间、消除停水温升等方面有较好的效果。

在以上方案中，主要有以下输入量：水流量Lf、氧含量O2、气种鉴别热点偶R以及E0，EC0，E1，EC1。气种鉴别热电偶R用于鉴别气种，以选择不同的模型参考向量。软件采用多输入非线性人工神经网络模型参考自适应控制算法，图2所示的网络模型为自适应系统构建软件设计框图。

按神经网络三层前馈网络，选择足够多的隐层节点，得到的实际数据可以任意逼近于一个平滑的非线性函数，直到与所要逼近的非线性函数之间达到要求的精度。

3 结束语

通过使用自适应新控制技术的燃气热水器，在燃烧效率、烟气排放、出水温度的稳定性、减少超调，降低调整恢复时间、消除停水温升等方面都收到较好的效果。相信自适应控制技术在不久的将来会给行业带来新一轮的技术变革。

参考文献

[1]董宁.自适应控制[M].北京：北京理工大学出版社，2009.

〔编辑：白洁〕