通過優化燃氣采暖熱水爐硬件配置及PID算法，實現對燃氣采暖熱水爐衛浴熱水性能的提升，并以實驗數據驗證優化后的成效。關鍵詞：熱水性能優化引言燃氣采暖熱水爐起源于歐洲，在歐洲已經有超過50年的發展歷史，而中國燃氣采暖熱水爐的發展比較晚，起步于十幾年前，因此國內燃氣采暖熱水爐在技術及性能上還與國外有較大的差距。近幾年，隨著國內燃氣采暖熱水爐發展迅猛，且消費者對使用觀念的改變，開始對燃氣采暖熱水爐的衛浴熱水性能要求在逐步提高。本文對燃氣采暖熱水爐如何提高衛浴熱水性能，從技術角度進行分析，提出一種適用于燃氣采暖熱水爐熱水性能優化的控制方法，并以實際的實驗數據闡明優化后的成效。
1優化前技術探討
(1)設計技術指標國內燃氣快速熱水器從引進日本技術開始，經過幾十年的發展，行業技術基本已經成熟，也已經得到廣大中國百姓的認同，因此，燃氣采暖熱水爐的熱水性能改進，可以以燃氣快速熱水器的相關技術指標為基礎進行設計，具體設計優化的參數指標見表1。
(2)優化方案初步技術分析眾所周知，目前燃氣采暖熱水爐的衛浴換熱方式都是二次換熱，從這點可見，燃氣采暖熱水爐最初設計的主要目的并不在衛浴，而是在于取暖的舒適性，也正因為這個設計，加大了熱水性能優化的難度，但從技術角度分析，要達到優化熱水性能的目的，可從以下兩方面考慮：
①從結構角度考慮。燃氣采暖熱水爐熱水性能優化的主要難點在于衛浴熱水是二次換熱加熱，熱慣性大，而且存在嚴重的滯后現象，加大了PID調節的難度而燃氣快速熱水器是直接換熱(即一次換熱)，熱慣性小，基本不存在滯后現象，PID調節容易掌控。因此，如果把燃氣采暖熱水爐衛浴換熱方式也改為一次換熱，則熱水性能優化就很好解決了，但這種一次換熱的燃氣采暖熱水爐目前是不存在的，這還是與采暖爐最初設計的目的有關(主要用于供暖，而不是衛浴)，因此，本文不考慮從結構角度對采暖爐進行熱水性能優化。
②從電控角度考慮。燃氣采暖熱水爐熱水性能的優或良，實際與電控設計有著密切的關系。如何加快溫度及水流量傳感器取樣的精度及速度，克服比例調節閥的磁滯回差(特別是冷態及熱態的阻值漂移)及提高比例調節閥的輸出精度提高CPU的運算速度及優化PID算法等等，這些技術措施都對優化熱水性能起到關鍵的作用。本文熱水性能優化在考慮提高性能指標外，同時還得考慮成本的控制，因此本文從優化硬件配置(采用精度高、響應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現熱水性能的優化。
2系統設計方案及原理分析
(1)系統硬件工作原理分析圖1為板換式熱交換方式。系統先在燃燒室里面加熱供暖管路里面的水，然后熱水經過板式換熱器和衛浴水進行熱交換，從而達到加熱衛浴水的目的。圖2為套管式熱交換方式。系統先在燃燒室里面加熱外管層里的供暖水，然后再加熱內管層里的衛浴水，最終實現加熱衛浴水的目的。
(2)系統軟件PID調節原理分析(見圖3)
(3)軟件設計探討1)PID算法在目前熱水器行業，PID調節是用于機器控溫的主要手段，也是目前技術最成熟的方法之一，但實際大部分廠家在PID調節控溫問題上，為了程序調節的簡便，基本只運用了PI調節(即組成PI調節器)，微分分量在程序里沒被運用(即D=0)。而加入微分分量調節將有助于減小超調量，克服震蕩，使系統輸出趨于穩定，還可以加快系統的動作速度，減小調整的時間，從而改善系統的動態性能。本文在考慮燃氣采暖熱水爐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調節器。PID調節的程序架構在熱水器行業里，是一種典型的閉環控制方式：系統根據輸入信號的偏差(本次結果與上一次結果的差值)，按照PID的函數關系進行運算，然后將其結果用以控制輸出。以下將先對PID的一些基本運算公式進行闡述，同時考慮PI算法已經為大家所熟悉，所以不作重點介紹，以下重點介紹PID算法。
①Ki積分Ki積分公式為：
(1)式中：Ti是積分時間常數，它表示積分速度的大小。積分作用的響應特性曲線見圖4?？梢姺e分作用的特點：只要偏差不為零就會產生對應的控制量，并根據這個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，提高穩定性反之，減小Ti會強化積分作用，積分速度會越快，增加超調，減低穩定性。
②Kd微分Kd微分公式為：
(2)式中：Td為微分時間常數。微分作用的響應特性曲線見圖5?？梢娢⒎肿饔玫奶攸c：微分分量對偏差的任何變化都會產生控制作用，以調整系統輸出，阻止偏差變化。偏差變化越快，則產生的阻止作用越大，有助于減小超調量，克服震蕩，使系統輸出趨于穩定，還可以加快系統的動作速度，減小調整的時間，從而改善系統的動態性能。
③PID算法為了進一步改善調節品質，把比例、積分、微分三種作用組合起來，形成PID調節器。理想的PID微分方程為：式中：y調節器的輸出信號e(t)調節器的偏差信號，它等于給定值與測量值之差Kp比例系數Ti積分時間常數Td微分時間常數PID調節器的輸出特性曲線見圖6.由圖6可看出PID調節作用的特點：曲線是Kp、Ki及Kd三個參數共同作用的結果，當偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，Kp使控制量無限的接近于目標值(向減少偏差的方向變化)。而這種無限接近于目標值的變化，由于加入了D(微分)分量的影響，可以加快這種變化率，同時由于D(微分)分量具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，阻止偏差變化，讓曲線向相反方向變化(這些是PI調節器無法做到)。最后由積分分量使控制量達到目標設定值，完成一次PID的調節過程。
2)分時運算任務設計探討在程序里，為了提高測溫的準確性，往往需要進行多次測溫，然后剔除測得結果中的最大值和最小值，把剩余的數值相加再計算平均值，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計算一般安排在上一個輸出周期的最后階段就提前進行。測溫次數一般在7-13次，去掉最大最小數以后保留5-11次用于運算，均值運算的累加部分將安排在每一次測溫以后逐步進行，不會過多占用系統時間。只要系統的時間允許，盡可能的測多幾次，所得到的結果也會相對精確點，但不宜過多。PID的輸出部分可以放到系統定時中斷里處理，這部分占用的時間不長，可以附帶完成。
3)參數的設定與調整參數的設定與調整是PID調節中最困難的部分，P、I、D三個參數要通過反復的調試才能找到相對比較理想的參數值。建議軟件編程人員在編程時，可采用先將I,D設為0，先調好P,讓性能達到基本的響應速度和誤差，然后再加上I,使誤差為0，最后再加入D的方法,讓性能達到最理想的狀態。
3熱水性能優化前后效果對比按上述方案進行優化后，分別對12L板式采暖爐、16L套管式采暖爐及8L套管式采暖爐進行檢測，測試結果如下：
(1)12L板式采暖爐從表3數據可見，經性能優化后，采暖熱水爐的加熱時間、熱水穩定時間及水溫超調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數據可見，經性能優化后，采暖熱水爐的停水溫升、熱水穩定時間及水溫超調幅度都有明顯的改善，而加熱時間基本保持不變。③8L套管式采暖爐從表5數據可見，經性能優化后，采暖熱水爐的停水溫升、熱水穩定時間及水溫超調幅度都有明顯的改善，而加熱時間基本保持不變。
4結論燃氣采暖熱水爐的熱水性能優化實際是硬件配置及軟件PID算法共同優化的結果，兩者必須同時具備。在硬件方面，參數及性能選擇是硬件配置的重要考量指標，對熱水性能起到關鍵的作用，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，但同時也會加大軟件調節的難度，對軟件編程人員的水平提出了更高的要求。下面對在調試過程中出現最多的情況進行總結：
(1)加溫很迅速就達到目標值，但是穩定過程的波動很大①比例系數太大，致使在未達到設定溫度前加溫比例過高②微分系數過小，致使對對象反應不敏感。
(2)加溫經常達不到目標值，小于目標值的時間較多①比例系數過小，加溫比例不夠②積分系數過小，對恒偏差補償不足。
(3)基本上能夠在控制目標上，但上下偏差偏大，經常波動：微分系數過小，對即時變化反應不夠快，反應措施不力積分系數過大，使微分反應被淹沒鈍化設定的基本定時周期過短，加熱沒有來得及傳到測溫點。
(4)受工作環境影響較大，在稍有變動時就會引起溫度的波動：微分系數過小，對即時變化反應不夠快，不能及時反映設定的基本定時周期過長，不能及時得到修正。