CN103948310A - 基于pid算法的即热式水壶控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PID算法的即热式水壶控制电路及控制方法，该控制电路包括：输入模块、显示模块、核心控制电路模块、温度检测模块、入水口、加热罐和出水口；入水口包括抽水泵和第一热敏电阻，加热罐包括加热泵和第二热敏电阻，出水口包括第三热敏电阻，第一热敏电阻、第二热敏电阻、第三热敏电阻均分别与温度检测模块连接，温度检测模块、抽水泵、加热泵、输入模块、显示模块均分别与核心控制电路模块相连。该方法是根据入水温度、加热罐内的热水温度及出水温度，通过分段式PID算法对加热泵的加热功率和抽水泵的抽水功率进行实时调节。本发明具有高效节能、控制精度高及鲁棒性强的特点。

Description

基于PID算法的即热式水壶控制电路及控制方法

技术领域

本发明涉及即热水壶研究领域，特别涉及一种基于PID算法的即热式水壶控制电路及控制方法。

背景技术

随着社会的进步，技术水平的不断发展，人们对热水壶的要求不断提高，需求越来越多样化。传统的热水壶只有将热水完全烧开，才能得到热水，不但热水温度不可以设置，而且需要等待较长的时间。另外，等到要去喝下一杯的时候，壶内的水可能已经冷下来了，所以又要重新烧开，这样不但造成了能源的浪费，而且饮用多次烧开的水对人体健康有害。

虽然现在市场上出现了许多即热式水壶，但其等待出水时间长或者每次只能加热固定少量的热水，由于系统的热惯性导致出水温度误差大，不能满足人们需要大量且能不间断输出、温度控制精度高的热水的需求。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于PID算法的即热式水壶控制电路，该电路可以让用户输入其需要的水的温度，同时在入水口、加热罐、出水口均设置了热敏电阻，可以使用户直观的知道当前出水口出水的温度，使结构更加人性化。

本发明的另一目的在于提供了一种基于上述即热式水壶控制电路的控制方法，该方法采用了分段式PID工业控制算法来调节加热泵功率和抽水泵的功率，具有高效节能、控制精度高及鲁棒性强的特点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：基于PID算法的即热式水壶控制电路，包括：用于用户设定出水温度的输入模块、用于实时显示当前出水温度的显示模块、核心控制电路模块、温度检测模块、入水口、加热罐和出水口；所述入水口包括抽水泵和第一热敏电阻，加热罐包括加热泵和第二热敏电阻，出水口包括第三热敏电阻，第一热敏电阻、第二热敏电阻、第三热敏电阻均分别与温度检测模块连接，抽水泵用于为加热罐供水，加热泵用于加热加热罐内的水；温度检测模块、抽水泵、加热泵、输入模块、显示模块均分别与核心控制电路模块相连。

优选的，所述输入模块的输入元件为按键。

优选的，所述显示模块的显示元件为数码管。

优选的，所述抽水泵的额定功率为1000W，其实际工作时的功率由核心控制电路模块控制。

优选的，所述加热泵的额定功率为2000W，其实际工作时的功率由核心控制电路模块控制。

优选的，所述核心控制电路模块根据设定温度及入水温度的差值采用PID控制算法对加热泵功率和抽水泵功率进行实时调节。

本发明还提供了一种基于上述即热式水壶控制电路的控制方法，根据用户设定温度及入水温度的差值，以及实时检测到的入水温度、加热罐内的热水温度及出水温度，通过分段式PID算法对加热泵的加热功率和抽水泵的抽水功率进行实时调节。

具体包括以下步骤：

（1）用户通过输入模块设定所需热水的温度；

（2）温度检测模块通过第一热敏电阻采集入水口的入水温度，通过第二热敏电阻采集加热罐内的热水温度，通过第三热敏电阻采集出水口的出水温度；

（3）根据步骤（1）中用户设定的水温及步骤（2）中采集到的入水温度、加热罐内热水温度、出水温度，核心控制电路模块根据用户设定温度及入水温度的差值采用分段式PID算法分别对加热泵的加热功率和抽水泵的抽水功率进行调节控制；

（4）当加热罐里面的水位达到出水口高度后，出水口会不间断供应热水，出水温度在显示模块实时显示；

（5）当用户不需要热水时，核心控制电路模块使加热泵停止加热，抽水泵停止抽水，出水口停止出水。

优选的，所述步骤（3）中，当抽水泵开始向加热罐抽水的同时加热泵开始对加热罐内的水进行加热。从而提高了出热水的速度。

优选的，所述步骤（3）中，核心控制电路模块采用分段式PID算法对加热泵的加热功率进行调节控制的步骤如下：

（1）当用户确定所需热水温度后，初始化核心控制电路模块中作用于加热泵的PID控制器的三个参数：P参数、I参数、D参数，当设定温度-入水温度<50摄氏度时，该PID控制器选择第一组PID参数：P1、I1和D1，否则选择第二组PID参数：P2、I2和D2；

（2）在定时器作用下，定时采集出水温度、加热罐内热水温度两个温度参数；

（3）根据出水温度、加热罐内热水温度和设定温度，经过PID控制器后获得加热泵的功率参数；

（4）核心控制电路模块根据加热泵的功率参数调节加热泵的加热功率，之后返回步骤（2），如此循环。

优选的，所述步骤（3）中，核心控制电路模块采用分段式PID算法对抽水泵的抽水功率进行调节控制的步骤如下：

（1）当用户确定所需热水温度后，初始化核心控制电路模块中作用于抽水泵的PID控制器的三个参数：P参数、I参数、D参数，当设定温度-入水温度<20摄氏度时，该控制器选择第三组PID参数：P3、I3和D3，否则选择第四组PID参数：P4、I4和D4；

（2）在定时器作用下，定时采集出水温度、加热罐内热水温度两个温度参数；

（3）根据出水温度、加热罐内热水温度和设定温度，经过PID控制器后获得抽水泵的功率参数；

（4）核心控制电路模块根据PID控制器获得的抽水泵功率参数调节抽水泵的抽水功率，之后返回步骤（2），如此循环。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明装置中设置了一用于用户设定出水温度的输入模块和用于实时显示当前出水温度的显示模块，使装置更加人性化。

2、本发明装置中在入水口、加热罐、出水口中均设置了热敏电阻，用于检测入水温度、加热罐内热水温度、出水温度，以便于核心控制电路模块根据温度对抽水泵和加热泵的功率进行调整。

3、本发明方法采用分段式PID工业控制算法来调节加热泵功率和抽水泵的功率，能有效减少由于热惯性导致的能源浪费和降低出水温度的误差，可以实现用户设定温度几秒钟后就不间断输出热水，而且输出热水温度误差小于正负1摄氏度，系统鲁棒性好。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是本发明方法的控制原理示意图；

图3是本发明中作用于加热泵的分段式PID算法控制流程图；

图4是本发明中作用于抽水泵的分段式PID算法控制流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例基于PID算法的即热式水壶控制电路，包括输入模块、显示模块、核心控制电路模块、温度检测模块、入水口及内嵌的抽水泵和第一热敏电阻、加热罐及内嵌加热泵和第二热敏电阻、出水口及内嵌的第三热敏电阻。第一热敏电阻、第二热敏电阻、第三热敏电阻均分别与温度检测模块连接，温度检测模块、抽水泵、加热泵、输入模块、显示模块均分别与核心控制电路模块相连。

如图2所示，为本实施例基于PID算法的即热式水壶控制方法。用户通过图1所示输入模块设定出水温度，送入核心控制电路模块；同时图1所示温度检测模块通过图1所示第一热敏电阻、第二热敏电阻、第三热敏电阻定时检测入水温度、加热罐内的热水温度及出水温度，并将所检测到的温度参数送入核心控制电路模块；核心控制电路模块根据设定温度及入水温度的差值，确定分段式PID控制算法中P、I、D参数值，再根据加热罐内的水温、出水水温利用PID算法，实时调节抽水泵的抽水功率及加热泵的加热功率，迅速控制出水温度，使其接近设定水温。当用户不需要热水时，系统关闭，核心控制电路模块控制加热泵停止加热，抽水泵停止供水。

PID控制算法是一种线性闭环控制算法，它将给定值与实际输出值的偏差的比例（P）、积分(I)、微分(D)进行线性组合形成控制量输出，对系统进行反馈调节。本应用中，采用了分段式的PID控制算法，即根据不同的入水温度和设定温度的差值选择不同的PID参数（参数P，参数I，参数D）。

分段式PID算法对加热泵功率进行调节的过程如图3所示：

（1）当用户确定所需热水温度后，初始化核心控制电路模块中作用于加热泵的PID控制器的三个参数：P参数、I参数、D参数，当设定温度-入水温度<50摄氏度时，该PID控制器选择第一组PID参数：P1、I1和D1，否则选择第二组PID参数：P2、I2和D2；

（2）在定时器作用下，定时采集出水温度、加热罐内热水温度两个温度参数；

（3）根据出水温度、加热罐内热水温度和设定温度，经过PID控制器后获得加热泵的功率参数；

（4）核心控制电路模块根据加热泵的功率参数调节加热泵的加热功率，之后返回步骤（2），如此循环。

所述分段式PID算法对抽水泵功率进行调节的过程如图4所示：

（1）当用户确定所需热水温度后，初始化核心控制电路模块中作用于抽水泵的PID控制器的三个参数：P参数、I参数、D参数，当设定温度-入水温度<20摄氏度时，该控制器选择第三组PID参数：P3、I3和D3，否则选择第四组PID参数：P4、I4和D4；

（2）在定时器作用下，定时采集出水温度、加热罐内热水温度两个温度参数；

（3）根据出水温度、加热罐内热水温度和设定温度，经过PID控制器后获得抽水泵的功率参数；

（4）核心控制电路模块根据PID控制器获得的抽水泵功率参数调节抽水泵的抽水功率，之后返回步骤（2），如此循环。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于PID算法的即热式水壶控制电路，其特征在于，包括：用于用户设定出水温度的输入模块、用于实时显示当前出水温度的显示模块、核心控制电路模块、温度检测模块、入水口、加热罐和出水口；所述入水口包括抽水泵和第一热敏电阻，加热罐包括加热泵和第二热敏电阻，出水口包括第三热敏电阻，第一热敏电阻、第二热敏电阻、第三热敏电阻均分别与温度检测模块连接，抽水泵用于为加热罐供水，加热泵用于加热加热罐内的水；温度检测模块、抽水泵、加热泵、输入模块、显示模块均分别与核心控制电路模块相连。

2.根据权利要求1所述的基于PID算法的即热式水壶控制电路，其特征在于，所述输入模块的输入元件为按键；所述显示模块的显示元件为数码管。

3.根据权利要求1所述的基于PID算法的即热式水壶控制电路，其特征在于，所述抽水泵的额定功率为1000W，其实际工作时的功率由核心控制电路模块控制；所述加热泵的额定功率为2000W，其实际工作时的功率由核心控制电路模块控制。

4.根据权利要求1所述的基于PID算法的即热式水壶控制电路，其特征在于，所述核心控制电路模块根据设定温度及入水温度的差值采用PID控制算法对加热泵功率和抽水泵功率进行实时调节。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的基于PID算法的即热式水壶控制电路的控制方法，其特征在于，方法是：根据用户设定温度及入水温度的差值，以及实时检测到的入水温度、加热罐内的热水温度及出水温度，通过分段式PID算法对加热泵的加热功率和抽水泵的抽水功率进行实时调节。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）用户通过输入模块设定所需热水的温度；

（2）温度检测模块通过第一热敏电阻采集入水口的入水温度，通过第二热敏电阻采集加热罐内的热水温度，通过第三热敏电阻采集出水口的出水温度；

（3）根据步骤（1）中用户设定的水温及步骤（2）中采集到的入水温度、加热罐内热水温度、出水温度，核心控制电路模块根据用户设定温度及入水温度的差值采用分段式PID算法分别对加热泵的加热功率和抽水泵的抽水功率进行调节控制；

（4）当加热罐里面的水位达到出水口高度后，出水口会不间断供应热水，出水温度在显示模块实时显示；

（5）当用户不需要热水时，核心控制电路模块使加热泵停止加热，抽水泵停止抽水，出水口停止出水。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步骤（3）中，当抽水泵开始向加热罐抽水的同时加热泵开始对加热罐内的水进行加热。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步骤（3）中，核心控制电路模块采用分段式PID算法对加热泵的加热功率进行调节控制的步骤如下：

（1）当用户确定所需热水温度后，初始化核心控制电路模块中作用于加热泵的PID控制器的三个参数：P参数、I参数、D参数，当设定温度-入水温度<50摄氏度时，该PID控制器选择第一组PID参数：P1、I1和D1，否则选择第二组PID参数：P2、I2和D2；

（2）在定时器作用下，定时采集出水温度、加热罐内热水温度两个温度参数；

（3）根据出水温度、加热罐内热水温度和设定温度，经过PID控制器后获得加热泵的功率参数；

（4）核心控制电路模块根据加热泵的功率参数调节加热泵的加热功率，之后返回步骤（2），如此循环。

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步骤（3）中，核心控制电路模块采用分段式PID算法对抽水泵的抽水功率进行调节控制的步骤如下：

（1）当用户确定所需热水温度后，初始化核心控制电路模块中作用于抽水泵的PID控制器的三个参数：P参数、I参数、D参数，当设定温度-入水温度<20摄氏度时，该控制器选择第三组PID参数：P3、I3和D3，否则选择第四组PID参数：P4、I4和D4；

（2）在定时器作用下，定时采集出水温度、加热罐内热水温度两个温度参数；

（3）根据出水温度、加热罐内热水温度和设定温度，经过PID控制器后获得抽水泵的功率参数；

（4）核心控制电路模块根据PID控制器获得的抽水泵功率参数调节抽水泵的抽水功率，之后返回步骤（2），如此循环。