模型预测控制系统的燃料-空气混合物的方法及相关系统与流程

本发明涉及一种模型预测控制系统的燃料-空气混合物的方法及相关系统，所述系统优选为燃气热水器。

背景技术：

1、在现有技术中已知的用于控制供暖锅炉中燃料-空气混合物的装置，其中该混合物在设计为燃气热水器的供暖锅炉中通常是燃气-空气混合物，该装置通常设置有差压传感器，该传感器用于获取燃气热水器的主流量节流装置上游的测量点处的压力与参考点的(参考)压力之间的压力差或差压。

2、通常还会设计成数字控制器，根据测量到的压力通过控制执行元件来调节，以尽可能地达到或维持期望的压力设定值，而没有控制偏差和过冲。

3、例如，作为执行元件使用可以称为控制阀或燃气阀的阀，其阀位置可以通过步进电机调节，从而能够通过步进电机逐步控制通过控制阀的流量。

4、因此，在现有技术中为了保持测量到的作为实际值的压力在设定值的范围内，执行元件往往会被快速连续地且长时间地激活，从而可能导致执行元件严重磨损。由于这种磨损，需要定期维护，并在必要时更换执行元件和/或执行元件的组件。

技术实现思路

1、因此，本发明的任务是克服上述缺点并提供一种控制燃料-空气混合物的方法，通过所述方法可以增加执行元件的使用寿命。

2、这一目的通过根据权利要求1的特征组合实现。

3、因此，根据本发明提出一种控制系统的燃料-空气混合物的方法，其中所述系统特别是供暖锅炉，优选地是燃气热水器。所述系统包括：用于将燃料与空气混合成燃料-空气混合物的混合装置；在燃料方向上布置在所述混合装置上游的、通过调节值控制的执行元件，其用于控制流入所述混合装置的燃料的质量流量；以及差压传感器，其用于获取在燃料流动方向上位于所述混合装置上游且在所述执行元件下游的燃料压力相对于在空气流动方向上位于所述混合装置(4)的上游的参考压力之间的作为实际值的差压。所述差压也可以称为偏移压力或压差。此外，所述系统优选包括主流量节流装置，其在流体方面布置在所述执行元件和所述混合装置之间，其中所述差压传感器优选地用于获取主流量节流装置上游的燃料压力与参考压力之间的差压。在通过改变所述调节值引起的所述执行元件的位置改变，其导致流入混合装置的燃料的质量流量发生变化的情况下，由所述差压传感器获取的实际值不会立即改变，而是在死区时间后并且通过取决于引起变化的调节值的增益因子改变。这里的位置改变特别是指流量位置的改变或通过所述执行元件的质量流量的改变。因此，在改变所述调节值改变或所述执行元件位置改变时，系统行为可以通过死区时间和增益因子来描述。根据本发明的方法在用于识别系统行为的第一方法阶段时规定，使用标准控制器确定用于控制所述执行原件的所述调节值，以使平均的实际值接近设定值。特别地，标准控制器意指线性控制器，更特别地意指p控制器、i控制器、pi控制器、pd控制器和pid控制器。特别是在所述第一方法阶段期间，所述调节值和所述实际值可以通过所述死区时间和所述增益因子而围绕所述设定值以一定的幅度和频率振荡。在用于识别系统行为的所述第一方法阶段期间，获取所述实际值的变化过程和所述调节值的变化过程，并根据这些变化确定取决于所述调节值的所述增益因子和所述死区时间。在第一方法阶段确定死区时间和增益因子后，在用于模型预测性自适应控制所述系统的第二方法阶段通过特别是具有史密斯预测器的基于模型的控制器来确定所述调节值。所述基于模型的控制器考虑先前确定的所述增益因子和所述死区时间，在确定所述调节值时优选地通过史密斯预测器包括前确定的所述增益因子和所述死区时间。同时，基于模型的控制器设计成使所述实际值接近所述设定值，使得相对于所述第一方法阶段，所述调节值在第二方法阶段需要更少频率且更少程度的改变。

4、通过识别在所述第一方法阶段由所述死区时间和所述增益因子确定的系统行为，并在第二方法阶段考虑所述系统行为，因此与所述第一方法阶段以及与常规的或仅基于标准控制器的控制相比，在第二方法阶段中，所述执行元件相应地更少频率并在控制时强度更低地被控制，使得通过本发明的方法减少所述执行元件的磨损。

5、通过所提出的用于模型预测控制的方法，可以实现差压的稳健且同时高性能的控制，其中同时通过相应地考虑系统行为的变化，也可以提及适应性和自学习的控制。

6、所述系统的增益取决于多种因素，因此不能预测或难以预测。例如，描述增益的所述系统的传递函数可能受到供暖锅炉的加热功率、步进电机或阀的位置、燃气类型、燃气供应压力和/或通过控制阀或其阀特性线影响。然而，当作为输入的所述调节值变化时观察作为输出的所述差压传感器的测量值，可以比较简单地被确定所述增益。

7、所述系统中的死区时间特别地由控制器或控制设备的数据处理的延迟以及所述差压传感器的数据处理的延迟主导。与流体力学过程的延迟或死区时间相比，上述因素可以忽略不计。这样得到的死区时间可以被视为基本上是常数。

8、为了确保在所述第二方法阶段也能识别和考虑到所述系统行为的变化，根据有利的进一步方案规定，在所述第二方法阶段期间确定所述实际值与所述设定值之间的偏差，当所述偏差和/或所述偏差的平均值超过预定的阈值时，根据所述第一方法阶段确定所述死区时间和所述增益因子。

9、同样，为了能够在所述第二方法阶段期间识别和考虑到所述系统行为的变化，在进一步的实施例中规定，在所述第二方法阶段期间获取所述调节值(随时间)的变化过程，并确定所述调节值变化的次数和幅度。当所述调节值变化的次数和/或幅度超过相应预定的阈值时，根据第一方法阶段重新确定所述死区时间和所述增益因子。

10、可以规定，在转换成所述第二方法阶段之前，所述方法保留在第一方法阶段一段预定时间。

11、替代地或附加地也可以规定，在所述第一方法阶段按照预定的时间进程进行预定的调节值变化和/或设计成供暖锅炉的系统遵循特定的加热功率曲线，从而以预定方式确定所述系统行为。

12、根据有利的进一步方案，可以根据所述调节值的变化和由所述调节值变化引起的所述实际值的变化之间的延迟确定所述死区时间。

13、所述系统中的增益可以在第一方法阶段中振荡的控制器的信号变化过程(压力实际值或压差或调节值)中，以较低的数值消耗(numerischen aufwand)确定。

14、由于这些信号的振幅对于大多数系统来说相对较小，因此可以将由此确定的增益视为所述系统的代表。

15、优选地，所述增益因子和/或所述死区时间通过维纳滤波器(wiener-filter)确定。其中，所述维纳滤波器设计成通过所述调节值和所述实际值来确定所述增益因子和/或所述死区时间。

16、特别地在使用简化的数字维纳滤波器时，增益由信号随时间的交叉相关和自相关的商产生。在此，考虑2至3秒的时间范围就足够了。此外，通过数据的交叉相关还可以确定或验证所述系统中的所述死区时间。

17、在第二方法阶段用于确定所述调节值的所述基于模型的控制器优选地包括史密斯预测器和标准控制器。在此，所述调节值由所述史密斯预测器与所述标准控制器的叠加确定，使得通过所述史密斯预测器补偿所述死区时间，而通过所述标准控制器补偿所述增益因子。

18、本发明的另一方面涉及一种系统，特别是一种燃气热水器。所述系统包括：用于将燃料与空气混合成燃料-空气混合物的混合装置；在燃料流动方向上布置在所述混合装置上游的、通过调节值控制的执行元件，其用于控制流入所述混合装置的燃料的质量流量；以及差压传感器，其用于获取在燃料流动方向上位于所述混合装置上游且在所述执行元件下游的燃料压力相对于在空气流动方向上位于所述混合装置的上游的参考压力之间的差压，所述差压作为实际值。此外，所述系统优选包括主流量节流装置，其在流动方面布置在所述执行元件和所述混合装置之间，其中通过所述差压传感器优选地获取所述主流量节流装置上游的燃料压力与参考压力之间的差压。此外规定，所述系统包括控制装置，所述控制装置与所述执行元件和差压传感器以信号方式连接，并设计成执行根据本发明的方法。

19、根据所述系统的有利的进一步方案，所述执行元件是带有步进电机的控制阀，通过所述步进电机可以调节通过所述控制阀的质量流量。进一步地，所述调节值是所述步进电机的步数或确定所述步进电机步数的值。

20、优选地，所述设定值是预定值，特别是0pa。

21、上述披露的特征可以任意组合，只要它们在技术上是可能的且彼此之间不矛盾。