CN103472874B - 一种即热式水温调节方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种即热式水温调节方法及其装置，其包括如下步骤：根据流量数值修改流量导通表；设置依次连接的PID控制器、PWM控制器和直流水泵，查询流量导通表判断是否导通直流水泵，所述的直流水泵受PWM控制器发送的PWM信号控制，直流水泵的导通时间与PWM信号的高电平持续时间相关；检测进水的温度；应用公式P=(4200×L××0.98)/60得出需要的功率。本发明使用直流水泵，其使用的实际功耗更低，且电能使用效率更为提高，同时工作过程中可大大降低噪音，由于直接使用PWM信号调整直流水泵转动动作，其在硬件结构上更为简单，降低成品成本，也避免了长时间工作时因线圈温度过高而造成水泵不良效应，导致不能持续工作，增长工作寿命。

Description

一种即热式水温调节方法及其装置

技术领域

本发明属于泵控制技术领域，具体涉及一种直流泵控制水温的控制结构及方法。

背景技术

传统的即热饮水产品均应用交流水泵，其应用原理为：线圈产生磁场，继而直接利用电磁力驱动活塞动作达到抽水目的。在运用交流水泵的过程中，会出现各种弊端，当交流水泵长时间工作时，线圈发热温度过高，造成水泵不良而不能持续工作，而且产生的噪音大，其寿命较短。再者，饮水产品内部的水温及出水温度受各种条件影响，因而需要依靠改变供电频率、电压幅度或电压导通角等方法来灵活改变水温。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种间接调节出水水温的方法，在调节过程中可精确控制水温并将噪音降到最低；本发明还提供了一种即热式水温控制系统，其耗电量低且使用寿命长。

本发明所述的一种即热式水温调节方法，包括如下步骤：

获取流量调整信号，根据流量数值修改流量导通表；

设置依次连接的PID控制器、PWM控制器和直流水泵，查询流量导通表判断是否导通直流水泵，所述的PID控制器用以向PWM控制器发送控制信号，所述的直流水泵受PWM控制器发送的PWM信号控制，直流水泵的导通时间与PWM信号的高电平持续时间相关；

检测进水的温度；

在导通直流水泵的状态时，需要的电机功率为：P= (C×Q×∆t×0.98)/60，其中，公式中的C为固定值，即水的比热容，Q为直流水泵导通时的出水流量（L/min），∆t 为进出水过程中需要升高的温差（℃）。

优选地，流量调整信号可通过用户主动发送流量调整命令或通过水流检测传感器传输流量信号获取。

进一步地，所述的PWM信号的占空比以流量导通表为基准变化。

本发明还提供一种即热式水温调节装置，其包括

PID控制器，所述PID控制器通过组合微分调节、积分调节和比例调节作用，提供精确的水流量、水温控制及预测；

PWM控制器，所述的PWM控制器发送PWM控制信号以直接控制直流水泵的转动动作；

整流电路及直流水泵，将输入的交流电转换为直流电源供给直流水泵。

进一步地，在入水口、出水口及加热板处还各自包括有温度传感器，各温度传感器分别与系统控制器连接，所述的系统控制器包括所述的PID控制器。

本发明的有益效果是：使用直流水泵，其使用的实际功耗更低，且电能使用效率更为提高，同时工作过程中可大大降低噪音，由于直接使用PWM信号调整直流水泵转动动作，而且只要使用一整流电路即完成转化为水泵电机所需的直流电源，而不使用交流电机所必需的相关部件，其在硬件结构上更为简单，降低成本，避免长时间工作时因线圈温度过高而造成水泵不良效应，导致不能持续工作，增长工作寿命。

附图说明

图1为水温调节的控制方框图。

图2为功率与流量关系曲线图。

图3为各信号的调节过程。

图4为温度采集与控制器的电路关系图。

图5为电源供电模块。

图6为水流检测传感器的信号传输控制电路。

图7为功率加热板处的输出控制电路。

具体实施方式

本发明所述的一种即热式水温调节方法，包括如下步骤：

获取流量调整信号，根据流量数值修改流量导通表；其中，流量导通表利用直接计算法可得出当前需要的水流控制量，而在数字计算机中的计算处理，无论是积分或微分均需要用数值计算去逼近，因而需要将其变为描述离散时间的差分方程。增量计算法就是相对于标准算法的相邻两次运算之差，得到的结果是增量，也就是说在上一次的控制量的基础上计算需要增加的控制量，可根据出入水的流量预测、计算流量及电机输出功率的动态关系，其计算式为：

Pout (t)= Kp*e(t) + Ki*∑e(t) + Kd[e(t)–e(t-1)]

上式中，Pout(t)：入水时的实时流量；Pout(t-1)：上一时刻的流量；

Kp：比例调整系数，该系数与当前需要的出水口实际温度和设定的出水口温度之间的差值直接成一正比例关系，假设出水口设定为90度，而实际测得是95度，则调整过后实时流量值就要加大；

Ki：调节水泵流量的调整速度(如实际出水温度与目标设定出水温度相差很大时，此调整速度参数增大，升温或降温速度加快，即流量的调整参数加大，可减小加温或减温时间)；

Kd：反映出水口温度的变化率，即变化趋势（与目标温度对比，其表示的是加温还是减温）；

e(t)：基本偏差，表示当前测量值与设定的目标值之差，其可以为正数或负数，如果值为正，则表示当前值尚未达到目标值，如果值为负，则表示当前值已超过了目标值。

结合

，这是面向比例项用的变动数据，可得出

△Pout(t)=Pout(t)-Pout(t-1)=Kp*△e(t)+Ki*e(t)+Kd[△e(t)-△e(t-1)]。

累计偏差：∑e(t)=e(t)+e(t-1)+e(t-2)+……+e(1)，此为第一次测量到的偏差值总和，其总和为代数和，需要考虑到正负符号的运算，这是面向积分项用的变动数据。

基本偏差的相对偏差：△e(t)=e(t)-e(t-1)，△e(t)即为增量式控制算法，利用本次的基本偏差减去上一时刻的基本偏差，可预测到当前控制对象的变化趋势，作为快速反应的重要依据，这是面向微分项的变动数据。由于一般计算控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定Kp，Ki，Kd，只要计算前3次测量值偏差，即可求出控制量的增量。

基于以下的三种调节规律，可组成一PID控制器。比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例调节的作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例会使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用：使系统消除稳态误差，减少误差值。只要存在误差，积分调节就可进行，直至无误差，积分调节停止，并输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强，反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。

微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，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，在偏差还没有形成之前，即可被微分调节作用消除。因此，该调节作用可以改善系统的动态性能。微分调节时，若时间选择合适可以减少超调，同时减少调节时间。但微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，将会对系统的抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，输出为微分形式的作用不能单独使用，需要与上述另外两种调节规律相结合，并组成PD或PID控制器。

由于PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作效果不是太好，在即热式饮水系统里面，温度的调节因为有加热板温升变化、入水水温的不一致性等影响，同时又有快速出水的需求，单纯的使用某种固定的PID调节方法显然不适合，因而我们这里采用PID结合快速查表法来精确控制出水温度。

设置依次连接的PID控制器、PWM控制器和直流水泵，查询流量导通表判断是否导通直流水泵（即查表法），所述的PID控制器用以向PWM控制器发送控制信号，所述的直流水泵受PWM控制器发送的PWM信号控制转动，直流水泵的导通时间与PWM信号的高电平持续时间相关。本发明采用模糊控制算法，利用查表法实现了模糊性的推理。查表法是反映输入论域上的点到输出论域的对应关系式方法，其本身则已经经过了模糊化、模糊推理及解模糊的过程，可以先通过离线计算得到，当模糊控制器在线运行时即立刻进行查表得出结论，因而可以大大加快在线运行的速度，快速获取流量导通信号。

检测进水的温度，此步骤通过入水口的温度传感器完成。

在导通直流水泵的状态时，需要的电机功率为：P= (C×Q×∆t×0.98)/60，其中，公式中的C为固定值，即水的比热容，Q为直流水泵导通时的出水流量（L/min），∆t为进出水过程中需要变化的温差（℃）。

从上述公式可知，进出水的水温∆t与功率P成正比，与出水流量Q成反比，本发明依靠迅速调整出水流量的方法来间接控制水温，其旨在计算不同入水口水温下的相应流量值，进而控制直流泵以该流速打水，如果遇到入水口的水温变化，或者外界电压变化导致加热板功率变化的，也相应地调整流量以达到恒定出水口水温的目的。具体地，根据公式△t=60P/0.98CQ及图2可看出，需要考虑的因素是：出水温度、进水温度、流量和发热功率，当然，还需要考虑用电和用热水的安全。

相同流量而功率不同时，其温升△t也不同，在本发明的实施例中，列出其中的2种参数状态对比：出水量固定为2L/min时，当发热功率为1500W，其温升△t为10.7℃，而当发热功率为6000W时，其温升为42.9℃；出水量固定为5L/min时，当发热功率为1500W，其温升△t为4.3℃，而当发热功率为6000W时，其升温为15.6℃。

从以上两种对比中也可以看出，功率相同而流量不同时，其温升△t也不尽相同。

进一步地，所述的PWM信号的占空比以流量导通表为基准变化。

优选地，流量调整信号可通过用户主动发送流量调整命令或通过水流检测传感器传输流量信号获取，优选地，所述的水流检测传感器为霍尔传感器。所述的霍尔传感器主要利用检测磁场的方法进行水流监控，因为霍尔传感器只对垂直于其霍尔片表面的磁力线敏感，因而应设置磁力线方向与器件表面垂直。为保证霍尔传感器能够可靠工作，优选地选用一具有磁场的磁体作为运动对象，该运动对象随水流而运动，如此可更可靠且精确地检测入水的流量，在本实施例中，设置一磁体置于入水口正位，该磁体可随水位上升或下降，设定一水位参考值，由于入水量不足够设定值时，由于磁体上升高度不足够而无法在霍尔传感器上形成足够的磁场强度，则判断入水量不足够而增大流量；当增加水量至足够值而使霍尔传感器上形成足够的磁场强度时，则判断入水量足够，如此实现水流量的判断。如图6所示，其为水流检测的电路示意图，当霍尔传感器形成足够磁场强度时即可输出一信号接通三极管，从而通过光耦二极管发出信号输入到PID控制器输入端，经PID控制器与设定的值比较，即可将比较结果转为水泵的转速控制信号，调整出水流量。

同时，本发明分别在入水口、加热板及出水口处均设置一个温度传感器CN1、CN2和CN3。入水口设置的温度传感器CN1用以检测入水口的入水温度；加热板处的温度传感器CN2用以检测待加热水的温度是否已达到设定的目标值，如达到目标值则传输一导通信号至系统控制器U2，告知控制系统输出一导通信号以使已加热完成的水向出水口流出，如检测其水温未达到目标温度，则不流通加热板处的水流，直至水温加热完成；出水口处设置的温度传感器CN3用以检测出水口的温度，入水口和出水口之间的水温温差则为加热后实际的水温温升；在此，由于出水口与加热板之间水流流过时会损失部分热量，因而加热板处的实际水温应比出水口的水温温度高，相应的加热功率也应比实际计算公式所需的功率稍高。参照图4，各温度传感器CN1、CN2和CN3分别通过一电阻R10、R8、R6连接至系统控制器的3、4、5号三个信号输入引脚，其各自检测到的温度转换为电信号，反馈信号至系统控制器U2，系统控制器U2接收信号并处理后进行相应的信号输出，其具体地，在7号引脚处通过三极管Q1连接直流水泵，以对直流水泵的转速进行控制。

另外，本发明具有一路电流传感器用来实时测量加热板的功率，这样在进行流量控制时可以更快速且更为准确。其中，出水口温度减去入水口温度就是公式中的△t，电流传感器测得的电流可以通过功率传感器换算成加热板的功率P，这样我们可以得到一个实时的流量值用来控制水泵的流量，进而保持出水水温的恒定。参照图7，其主要由光电耦合器、继电器K1和加热管R3组成。其利用光耦隔离交直流信号，可保证由单片机输出的信号与外部设备信号之间进行了电隔离。当单片机需要对加热板发出控制信号时，单片机引脚P1.7连接的三极管Q1输出一信号导通，继电器K1相继接通，加热控制回路随即接通，从而实现R3的加热功能，此时加热保险丝F1工作。同时，在加热管R3两端并联一比较电路，该比较电路电阻设置阻值较大，以使加热管R3得到加热功率的最大化利用，当功率增大时，该支路电流值同时增大，当功率减少时，该支路电流值同时减少，以此增大或减小的支路电流电压信号作为功率的检测信号，该检测信号输入到单片机的P1.6脚中，单片机可进行数据分析及计算，得出相应功率数值，而且该支路设置有光电耦合器，可使传输信号不受其他电路支路影响，其检测更为准确有效。当检测到实际功率后，单片机结合检测到的当前水流量、入水温度及目标温度，并根据前述公式进行计算，得出水流量的调整值并输出信号至直流水泵，控制直流水泵的流量增减。当回路电流过大时，即加热管温度过高时，该电流信号相应增大，从而使加热保险丝断开，此时继电器控制端断开，控制切断加热控制回路，保证安全使用。

本发明还提供一种即热式水温调节装置，其包括

PID控制器，所述PID控制器通过组合微分调节、积分调节和比例调节作用，提供精确的水流量、水温控制及预测；

PWM控制器，所述的PWM控制器发送PWM控制信号以直接控制直流水泵的转动动作；

整流电路及直流水泵，将输入的交流电转换为直流电源供给直流水泵。

图5为电源的供电电路图，其主要作用为将市电的交流220V电转化为直流电，以提供直流水泵的驱动电压，同时提供其中各芯片与控制器的电源供电。

进一步地，在入水口、出水口及加热板处还各自包括有温度传感器CN1、CN2和CN3，各温度传感器分别与控制器连接，所述的控制器包括所述的PID控制器。

本发明在对应的控制硬件上，设置有水温调节按钮及加水按钮，可人为主动调节流量及温度，即对应发送流量调整命令至PID控制器输入端，达到流量调整的目的。

以上所述并非对本发明的技术范围作任何限制，凡依据本发明技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种即热式水温调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取流量调整信号，根据流量数值修改流量导通表；

设置依次连接的PID控制器、PWM控制器和直流水泵，查询流量导通表判断是否导通直流水泵，所述的PID控制器用以向PWM控制器发送控制信号，所述的直流水泵受PWM控制器发送的PWM信号控制，直流水泵的导通时间与PWM信号的高电平持续时间相关；

检测进水的温度；

在导通直流水泵的状态时，需要的电机功率为：

，其中，C 为固定值，即水的比热容，Q为直流水泵导通时的出水流量（L/min），∆t 为进出水过程中需要升高的温差（℃）；

流量调整信号通过用户主动发送流量调整命令或通过水流检测传感器传输流量信号获取；

当水流检测传感器形成足够磁场强度时即可输出一信号接通三极管，从而通过光耦二极管发出信号输入到PID控制器输入端；

所述的PWM信号的占空比以流量导通表为基准变化。

2.根据权利要求1所述的一种即热式水温调节方法，其特征在于，所述的水流检测传感器为霍尔传感器。

3.一种实现权利要求1所述即热式水温调节方法的即热式水温调节装置，其特征在于：包括

PID控制器，所述PID控制器通过组合微分调节、积分调节和比例调节作用，提供精确的水流量、水温控制及预测；

PWM控制器，所述的PWM控制器发送PWM控制信号以直接控制直流水泵的转动动作；

整流电路及直流水泵，将输入的交流电转换为直流电源供给直流水泵；

在入水口、出水口及加热板处还各自包括有温度传感器，各温度传感器分别与系统控制器连接，所述的系统控制器包括所述的PID控制器。