课程设计——水控式燃气热水器的控制系统指导老师：陈贵敏学生：马西云（04074041）于奇（04074016）一、题目背景及其意义我们的生活水平正在发生着巨大的变化，因此我们身边的很多东西都需要我们年轻的一代去改变。
随着西气东输工程的大力发展，不仅给西部带来你了经济利益与发展，同时也给东部的人民带来了生活上的便利。
燃气热水器不仅方便、快捷，更主要的是它节约资源。
而且从西方发达国家趋势看，基本上是以燃气热水器为主，用电的很少。
天然气作为一种清洁的能源，已得到广泛的运用，利用天然气来加热水并保证安全性是我们课题组关切的问题，正是由于燃气热水器的普及与实用性，为我们提供的设计的新世纪，燃气热水器大量进入中国，解决了不少家庭洗澡难的问题，它具有造价低、体积小、安装方便、加热快等优点。
但它在无暖气的地方，冬季用于家庭洗澡时，无法同时采暖，使人感到寒冷不适；其它地方大量用水时，使热水突然变小，变烫；高楼层住户常会遇到水压低，热水器不能正常工作。
采用全自动能燃气控制阀控制系统的水控式燃气热水器，不仅解决了安全节能及环保问题,而且建立家庭热水供应系统，开拓了使用热水的。
而今燃气热水器正朝着以下这些方向发展：(1)安全性能不断完善燃气热水器对人体的安全威胁主要是燃烧所产生的烟气。
随着排气方式不断地改革，热水器的安全使用已基本得到解决。
而安全问题在燃气热水器开发过程中始终是处于重要的置。
(2)舒适性的提高燃气热水器使用的舒适性便是人们关心的重要问题。
作为淋浴用热水器要实现舒适沐浴有两个基本要求：一是水温，二是水量。
为提高使用舒适性，国内正在研究的课题有：a)扩大热水器的负荷调节比，要求不小于20％～100％(即冬夏型功能)，国外热水器负荷调节均在30％～100％．b>发展良好恒温性能的智能化热水器，满足使用过程中水温波动在设定值士1℃范围内；c)实现低的水流阻力，大的水量，并维持使用过程中水量相对稳定且不低于7L／rain；d)热水器低的运行噪音，希望维持在50～60分贝；e)快速加热功能，减少开始使用或关机后重新启动时的冷水量；f)快速水温恒定功能，以避免淋浴水时冷时热现象。
(3)更加环保我国燃气热水器标准中现在除规定了对排烟CO含量的限制外，即限制燃烧不完全程度，还对排烟NO。
含量作了要求。
(4)向更为节能的方向发展(5)功能的多元化目前燃气热水器正在向着大容量、高效节能和减少环境污染的方向发展。
想用全新的概念与环保绿色的思想，我们想设计出一个造价低廉，体积小，便于安装，系统工作稳定，反应速度快，安全，环保的燃气热水器。
目的是利用全自动的水温控制系统的燃气热水器，解决城市人民日常的生活所需热水。
随着社会生产力的发展以及人们生活水平的提高，燃气热水器也在不断更新、发展，以满足人们对较高生活品质的追求。
自动控制原理是运用很广的一门课程，我们可以通过学习，设计很多能够通过自动控制实现我们所需性能的系统。
燃气热水器已为千家万户所用，随着城市生活水平的提高与社会的发展，每家每户都需求快捷方便，安全，易于操作，性能可靠的热水器，所以市场需求量大。
热水器的控制系统是整个热水器能正常工作的关键部分，利用此次机会，对热水器的控制系统研究，在于加深对控制系统的理解。
燃气热水器控制系统实现原理该系统实现较容易，它的工作原理是冷水进入热水器，流经水气联动阀体在流动水的一定压力差值作用下，推动水气联动阀门，并推动微动开关将电源接通并启动脉冲控制器，打开燃气通气电磁阀门，将燃气热水器燃烧器点燃；燃烧器点燃后，火焰检测元件通过检测火焰给出火焰信号予脉冲控制器，通过维持电流将电磁阀打开，维持燃烧器的正常燃烧。
如果当点火失败，脉冲点火器因无检测到火焰的维持电流信号，无法维持电磁阀的正常开启，关闭电磁阀，切断燃气的供应。
即只要打开冷水开关或接通冷水水源，水气联动阀就会驱动接通微动开关，完成点火、燃烧、维持到正常工作的整个过程，就可通过水量调节装置气量调节得到合适的水温与水量，燃气热水器就立刻在（5－10）秒较短的时间内进入正常工作状态，产出所需的热水。
器具一旦出现熄火等故障，燃气热水器会在5秒内自动停止工作，并立刻切断燃气通路，防止燃气继续流出，确保使用的安全性。
在这之中用到了电机与拖动，matlab，信号与系统分析，自动控原理等有关方面的知识控制器的原理图燃气热水器的温控系统原理框图系统性能指标要求1.低水压起动≤0.03mPa ；2.自动恒温:精度±1.5℃，超调量≤8，调整时间Ts ≤30秒；3.具有熄火保护、接地保护、过热保护、排烟道堵塞保护功能；燃气热水器温度控制系统图空气系统传递函数框图热电偶温度显示出口水温温控系统数学建模以及大概的时域分析过程，详细分析见频域分析直流伺服电动机由克希荷夫定律：电机电枢回路方程 电磁转矩方程 转轴运动方程 反电动势方程对上述四个方程在零初始条件下分别进行拉氏变换，由于电枢控制方式，磁通Φ恒定，即有：ad a a a a ue i R dtdi =++L aT e i K T φ=tnG L e JT T d d =-nK e e Φ=d由于直流伺服电动机一般功率较小，且电枢电感很小，其电枢回路电磁时间常数Ta 相对机电常数Tm 来说是很小的，即Ta 《Tm 。
此时可处理成Ta≈0，若直流伺服电动机的输出量为角位移，则有二、由图可知其它环节均为比例环节。
实现过程容易系统的闭环传递函数为α⋅⋅⋅⋅+⋅+⋅⋅⋅+==⋅2121)1(1)1()()()(K K K s T s K K K K K s T s K K s R s C s G i m m s i m msαs m i m sm i K K K K K s s T K K K K K 21221++=)()()()(s I R s L s E s U a a a d a +=-)()(s I K s T a T e Φ=)()()(s sN J s T s T G L e =-)()(s N K s E e d Φ=)1()()(+=s T s K s U s m ma θTm K s s T K ++=2温控系统仿真结果图对系统函数进行频域分析系统的传递函数30=K 3=T K .30=m T Tm K s s T K s G ++=20)(令 得系统的频率特性2arctan222020)()()(ωωωωωωωm T T K j m T T m e T K K K j j T K j G --+-=++=幅频特性：相频特性：对数幅频特性：对数相频特性：频域分析波德图ωj s =2220)()(ωωω+-=m T T K K A 2arctan)(ωωωϕm T T K -=2220)(lg 20)(ωωω+--=m T T K K L 2arctan )(ωωωϕm T T K -=频域分析奈氏图开环频域性能指标峰值时间： 147.15.0116.314.3122=-=-=ζωπn p t 4调整时间：超调量：闭环频域性能指标：谐振频率： 谐振峰值：频带宽度： 系统的根轨迹图系统需要进行进一步的校正。
观察系统的仿真图可知我们可以利用串联超前校正或使用PD 校正来使根轨迹向左偏，使其闭环系统的主导极点位于根平面上希望的位置上，并使其尽量远离虚数0000236.16100)1exp(=⨯--=ζζπp M 74.2212=-=ζωωn r 15.11212=-=ζζr M 06.444221422=+-+-=ζζζωωn d轴，改善系统的动态性能。
原系统在希望主导极点上的向量角：所以为使根轨迹过希望的闭环极点，超前校正装置应在该点上产生的超前相角。
故校正装置的传递函数为： 要得到希望的闭环极点，校正后的传递函数还必须满足希望极点的幅值条件。
校正后的开环传递函数为：由幅值条件求取K 值：得：K=6校正后系统的闭环传递函数为：对校正后的系统进行仿真分析：ds s d s s s G =++∠=∠33.03)(20030=c ϕ2.69.2)(++=s s s G c )2.6)(33.0()9.2()()(20++++=s s s s K K s G s G c c 1)2.6)(33.0()9.2(2=++++=ds s s s s s K 2.64.862.23.02.166.5)(23++++=Φs s s s ss t s 2.2= 以上是系统的设计,建模,分析以及校正的全部过程系统的可行性分析该闭环系统的模型与上述控制器原理图是相吻合的，系统是稳定的。
从上述控制模型中可做一类比，假设扰动因素为零，即假设水流速度不变，则可将该系统看做一个二阶系统。
系统的自然谐振频率Wn 为燃气阀的转动惯量决定，相对阻尼系数ξ主要由水流速度决定,水流速度的变化会导致水温衰减震荡周期T 改变。
经过一定的调整时间，水温将稳定在设定温度值。
01.16=P M s t P 915.0=当突然改变设定温度值，该系统将重新建立新的平衡。
我们人体适应温度突变范围不能超过8度，调节时间也不能过长，一般应控制在30秒一下。
我们的系统设计严格按照这个要求水控式燃气热水器的发展前景燃气热水器在国际上特别是在发达国家应用得非常广泛。
我国的燃气热水器是在改革开放后快速发展起来的．为什么发展比较快．主要是因为走了引进与自力更生相结合的道路。
目前，150多家燃气热水器生产企业里，外商独资、合资企业占30％左右．引进日本、德国、法国、意大利、美国、澳大利亚还有台湾及香港8个国家和地区的先进技术，技术水平起步较高。
年产10万台以上的企业有16家，这16家企业的产量占全国总产量的70％。
而且这些重点企业、骨干企业在行业中发挥着重要作用。
1 燃气热水器行业面临的主要问题当前，燃气热水器行业面临的形势是十分严峻的，主要表现在下四个方面：第一，目前全国热水器年产量超过1 000万台，而实际需求量只有450万台左右，最近几年小型生产企业又增加了几十个，这样的结果是竞争进一步加剧，但行业整体水平不是提高而是下降了这种盲目增加生产能力，低水平重复建设的现状不能再延续下去。
第二、燃气热水器1996年至1998年三年销量连续下降，下滑30％。
下滑的主要原因：①安全使用宣传力度不够，很多消费者对使用燃气热水器存有顾虑。
②需要开发更加安全可靠的产品。
③电热水器、太阳能热水器等的冲击。
④同燃气发展速度与结构配套有关系：要解决这个问题，在生产企业大力开发市场，促进销量增加的同时．还需要燃气生产企业、主管部门及全社会的共同努力。
第三、气源问题。
气源发展的速度远远不能满足用户发展的要求，与电相比，1991～1996年，全国发电量增加超过22％，而燃气则没有什么大的发展。
