CN104679053A - 一种功率反馈辅助的水温加热控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率反馈辅助的水温加热控制方法及装置。启动加热后，获取目标水温与实时水温，根据加热装置的理论功率进行加热；同时，检测加热装置实际的加热功率，对比实际的加热功率和输出的理论功率，校正加热装置的加热功率。在加热过程中，功率检测装置能快速的检测到由于电压突变引起的功率变化，及时反馈给控制器，控制器依据当前功率快速做出响应，保持出水温度的平稳性。无论加热器功率的偏差还是电压的变化最终都体现为加热器功率的变化，通过本发明所述的方法可解决现有技术中存在的技术问题。

Description

一种功率反馈辅助的水温加热控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种加热控制方法与装置，更具体地说，涉及一种功率反馈辅助的水温加热控制方法及装置。

背景技术

在即热式智能坐便器领域，以往的水加热控制方式都是单纯通过获取进水温度、出水温度、流量及加热所要达到的目标水温，依据PID（Proportion Integration Differentiation）等控制器计算出加热所需的功率实施控制的。在实际应用中，由于一方面发热元件的实际功率与其额定功率存在偏差，另一方面电网电压的波动使得加热装置的输入电压偏离其额定电压进而造成其实际功率偏离额定功率，使得水温控制的精确性和适应性受到限制。在实际电压高于额定电压和发热元件的功率高于额定功率时容易产生过冲和温度超过设定温度值，而实际电压低于额定电压和发热元件的功率低于额定功率时加热速度减缓。并且在加热过程中，由于电压的突变变化，引起加热功率的变化，由于以往的控制方法依据水温来控制，有一定的滞后性，往往造成出水温度出现过冲或者跌落，给使用者造成不舒服的感觉，如表一所示。

表一：在不同进水温度下当输入电压变化时出水温度波动情况关系表

由表一可以看出，电压从220V突然升高到250V的时候，不同进水温度下的出水温度都出现了过冲。当进水温度比较低，而且进水流量比较小的时候过冲的幅度可能更大，甚至是超过45℃，存在安全隐患。

此外，由于目前世界范围内使用的电压共有六种，分别为100V、110V、120V、220V、230V和240V，在生产过程中，针对不同的接入电压往往需要不同的程序，造成了程序版本比较多，管理成本上升的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种解决由于发热元件功率偏差引起的温度程序不适应的问题，适应宽电压工作范围，快速响应加热起始及加热过程中电压突变的情况的一种功率反馈辅助的水温加热控制方法，并提供一种基于所述方法的功率反馈辅助的水温加热控制装置。

本发明的技术方案如下：

一种功率反馈辅助的水温加热控制方法，启动加热后，获取目标水温与实时水温，根据加热装置的理论功率进行加热；同时，检测加热装置实际的加热功率，对比实际的加热功率和输出的理论功率，校正加热装置的加热功率。

作为优选，通过检测获得的实际的加热功率，计算得出实时电压，根据实时电压与理论电压的差值校正加热装置的加热功率。

作为优选，计算得出实时电压后，选择加热控制器参数，实现所述的方法适用于不同标准的接入电压。

作为优选，对加热装置实际的加热功率的检测，通过检测电压检测、电流检测或电阻检测中的一种或者多种，进而得出加热功率。

作为优选，检测加热装置实际的加热功率，包括加热时的瞬时功率、有效功率或有功功率的一种或者多种组合。

作为优选，具体步骤如下：

1）获取目标水温与实时水温，根据加热装置的理论功率进行加热；

2）判断本次加热控制周期是否结束，如果是，则进行新一轮的加热控制周期；如果否，则判断是否为采集实际功率的时间；

3）如果是，则采集实际功率，对比实际的加热功率和输出的理论功率，计算得出校正参数，利用校正参数对加热装置的加热功率进行校正；如果否，则等待采集实际功率的时间。

作为优选，步骤3）中，校正参数的获取步骤如下：

3.1）判断实际功率与理论功率的差值是否超过阈值，如果否，则校正参数为1，校正后的功率为理论功率；

3.2）如果是，则计算得出实际功率与理论功率的倍率，作为校正参数，校正后的功率为理论功率与校正参数的乘积。

作为优选，相邻两个采集实际功率的时间间隔小于加热控制周期。

作为优选，对采集的实际功率进行均值滤波。

作为优选，步骤2）所述的加热控制周期具体为：

2.1）获取目标水温与实时水温；

2.2）利用进水水温计算前馈控制功率，利用出水水温计算反馈控制功率，计算输出总功率；

2.3）当出水水温达到目标水温，则加热控制周期结束。

一种功率反馈辅助的水温加热控制装置，包括加热装置、温度检测装置、功率检测装置、控制器，温度检测装置、功率检测装置分别连接在加热装置与控制器间，分别用于以温度为反馈的控制的方式、以功率为辅助反馈控制的方式对加热装置进行控制。

作为优选，控制器包括处理器单元、目标温度获取单元、隔离单元、加热电流及电压控制单元，处理器单元连接加热电流及电压控制单元，加热电流及电压控制单元与加热装置连接，对加热装置进行电流及电压控制；隔离单元连接于处理器单元与加热电流及电压控制单元之间；目标温度获取单元与处理器单元连接，用于获取加热的目标温度。

作为优选，功率检测装置包括电压检测装置、电流检测装置或电阻检测装置中的一种或者多种组合，实现检测反映加热装置的加热功率的物理量。

作为优选，所述的物理量包括瞬时功率、有效功率或有功功率的一种或者多种，或者用于计算得出瞬时功率、有效功率或有功功率的一种或者多种的基础物理量。

作为优选，温度检测装置包括前馈控制器、反馈控制器，前馈控制器的前馈温度传感器安装在加热器进水口处，反馈控制器的反馈温度传感器安装在加热器出水口处，分别用于利用进水水温计算前馈控制功率，利用出水水温计算反馈控制功率。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的方法与装置，在温度反馈控制方法上，加入功率反馈控制方法，采取以水温反馈为主、以功率反馈为辅的加热控制方式。在开启加热后，功率检测装置能快速的检测出实际的加热功率，并计算出当前电压，并将值返回给控制器，控制器对比实际的加热功率和输出的理论功率，校正加热装置加热时的功率，并依据当前电压获取控制器的参数。

在加热过程中，功率检测装置能快速的检测到由于电压突变引起的功率变化，及时反馈给控制器，控制器依据当前功率快速做出响应，保持出水温度的平稳性。无论加热器功率的偏差还是电压的变化最终都体现为加热器功率的变化，通过本发明所述的方法可解决现有技术中存在的技术问题。

本发明降低发热元件功率一致性的阈值，提高水温控制程序的适应性和稳定性；使水温控制程序能适应不同标准的接入电压；快速响应电压突变，减小由于电压突变造成水温波动。

附图说明

图1是分立式功率检测电路原理框图；

图2是本发明所述的水温加热控制方法的流程图；

图3是本发明所述的水温加热控制装置的原理图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

一种功率反馈辅助的水温加热控制方法，启动加热后，获取目标水温与实时水温，根据加热装置的理论功率进行加热；同时，检测加热装置实际的加热功率，对比实际的加热功率和输出的理论功率，校正加热装置的加热功率。使实际加热功率尽可能地接近理论输出功率，并且保持稳定，达到稳定加热的目的，保持出水水温稳定可控。

校正加热装置的加热功率，具体为：通过检测获得的实际的加热功率，计算得出实时电压，根据实时电压与理论电压的偏差校正加热装置的加热功率。

为了本发明所述的方法能够适用于所有接入电压，即不同电压标准，本发明所述的方法在计算得出实时电压后，选择加热控制器参数，控制器依据实时电压调整理论电压值，实现所述的方法适用于不同标准的接入电压。

为了能尽快响应电压突变减少由于电压突变引起水温的冲过或者跌落，功率检测装置要能够快速响应加热过程中电压变化引起的功率变化。最好能在出水温度发生变化大幅跌落或过冲前就能够响应，使得控制器能快速调整加热功率，以便保持温度稳定性。对加热装置实际的加热功率的检测，通过检测电压检测、电流检测或电阻检测中的一种或者多种，进而得出加热功率；并且相邻两个采集实际功率的时间间隔小于加热控制周期。对采集的实际功能进行均值滤波。

实现功率检测的方式最常用的是通过检测电流和电压来测量功率，也包括分立式和集成式两种。

在集成式方案中，将电流及电压信号输入到功率检测芯片，其输出与输入功率成比例的数字信号，如脉冲。通过检测脉冲频率计算出实际的功率，检测需要时间，如表二所示。

表二：集成式检测功率耗时表

加热功率/w	检测耗时/s
		80	12.1
240	6
		400	3.2
560	2.2
		720	1.7
880	1.352857143
		1040	1.175714286
1200	1.044444444
		1360	0.918666667
1520	0.827272727

由表二可得知，加热功率越大，检测需要的时间就越短。功率低于640W的时候，检测时间已经超过1.7s，甚至到达12.1s。在实际应用中，在电压突然发生变化之后大约经过2s（此时间长短与即热温度滞后性相关，在此仅做举例）出水温度便发生较大的波动，可能已经超过设定的安全值。假如加测时间大于2s（具体时间与产品相关），功率检测已没有必要。

当加热功率比较大的时候，例如在进水温度比较低，如5℃，加热功率基本在90%以上，当输入电压发生剧烈变化的时候，如从198V突然升到264V的时候，由于温度反馈的滞后性导致控制的延迟，导致出水温度发生大的波动。此时，功率检测可在较短的时间内获得功率变化的信息给控制器，让其在出水温度变化之前作出调整，实施结果如表三所示。

表三：输入交流电与输出直流电的关系列表

输入电压/V	输出直流
		90	1.123270862
91	1.135751649
		92	1.148232436
93	1.160713224
		94	1.173194011
95	1.185674799
		96	1.198155586
97	1.210636373
		98	1.223117161
99	1.235597948
		100	1.248078735
101	1.260559523
		102	1.27304031
103	1.285521097
		104	1.298001885
105	1.310482672
		106	1.322963459
107	1.335444247
		108	1.347925034
109	1.360405821
		110	1.372886609
111	1.385367396
		112	1.397848184
113	1.410328971
		114	1.422809758

另外，在即热加热的起始阶段一般采用大功率(功率一般大于1000W)加热，通过功率检测可在较短的时间获得实际的功率，进而推算出当前的输入电压。控制器得到当前输入电压值后校正理论电压，以适应不同标准的接入电压。

在分立式检测中，如图1所示，交流输入电压经过分压电阻网络后按照设定的比例缩小，输入隔离运算放大器放大。输出隔离运算放大器的为交流与直流的叠加信号，在经过隔直电路之后滤除直流信号保留交流信号。此交流信号为毫伏级别，故其后连接交流放大电路，将其放大。通过峰值检测电路后输入的交流信号成为与输入电源的均方根值成特定比例的直流信号。由于篇幅所限仅列举输入均方根值90V到130V为例，如表二所示。此电路中，当输入电压的均方根值发生变化的时候输出的直流电压也随之发生变化，控制器通过ADC(模数转换)立即检测到电压的变化对输出功率做出调整，避免水温出现大幅波动。

检测加热装置实际的加热功率，包括加热时的瞬时功率、有效功率或有功功率的一种或者多种组合。

本发明所述的方法，如图2所示，具体步骤如下：

1）获取目标水温与实时水温，根据加热装置的理论功率进行加热；

2）判断本次加热控制周期是否结束，如果是，则进行新一轮的加热控制周期；如果否，则判断是否为采集实际功率的时间；

3）如果是，则采集实际功率，对比实际的加热功率和输出的理论功率，计算得出校正参数，利用校正参数对加热装置的加热功率进行校正；如果否，则等待采集实际功率的时间。

步骤2）所述的加热控制周期具体为：

2.1）获取目标水温与实时水温；

2.2）利用进水水温计算前馈控制功率，利用出水水温计算反馈控制功率，计算输出总功率；其中，前馈控制功率、反馈控制功率与总功率通过PID（比例积分微分控制）方法计算得出；

2.3）当出水水温达到目标水温，则加热控制周期结束。

步骤3）中，校正参数的获取步骤如下：

3.1）判断实际功率与理论功率的差值是否超过阈值，如果否，则校正参数为1，校正后的功率为理论功率；

3.2）如果是，则计算得出实际功率与理论功率的倍率，作为校正参数，校正后的功率为理论功率与校正参数的乘积。

如图3所示，一种功率反馈辅助的水温加热控制装置，包括加热装置、温度检测装置、功率检测装置、控制器，温度检测装置、功率检测装置分别连接在加热装置与控制器间，分别用于以温度为反馈的控制的方式、以功率为辅助反馈控制的方式对加热装置进行控制。

控制器包括处理器单元、目标水温获取单元、隔离单元、加热电流及电压控制单元，处理器单元连接加热电流及电压控制单元，加热电流及电压控制单元与加热装置连接，对加热装置进行电流及电压控制；隔离单元连接于处理器单元与加热电流及电压控制单元之间；目标水温获取单元与处理器单元连接，用于获取加热的目标水温。

温度检测装置包括前馈控制器、反馈控制器，前馈控制器的前馈温度传感器安装在加热器进水口处，反馈控制器的反馈温度传感器安装在加热器出水口处，分别用于利用进水水温计算前馈控制功率，利用出水水温计算反馈控制功率。

功率检测装置包括电压检测装置、电流检测装置或电阻检测装置中的一种或者多种组合，实现检测反映加热装置的加热功率的物理量。

所述的物理量包括瞬时功率、有效功率或有功功率的一种或者多种，或者用于计算得出瞬时功率、有效功率或有功功率的一种或者多种的基础物理量。

在加热开始后，控制器获取的加热要达到的目标水温，利用温度检测装置检测到的进水水温、出水水温，利用控制算法实施主控制。

依据功率检测装置实时检测到的加热装置加热时的实际功率，一方面来校正加热的功率实施辅助控制，弥补实际电压与额定电压之间的偏差，以及加热管实际功率与额定功率之间的偏差造成的偏差；另一方面在获得当前功率后利用P=U*I或者P=U2/R，即可计算出当前电压，再依据当前电压选取控制器的参数，则可实现各种不同标准电压使用同一个加热控制程序（即通过软件对本发明所述的方法进行表达后，用于具体应用实施），节约了管理成本。

在加热过程中，如果电压发生突变，功率检测装置能够快速的检测到由于电压突变引起的功率的变化并反馈给控制器，控制器及时作出调整，使得温度不出现大的过冲或者跌落。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种功率反馈辅助的水温加热控制方法，其特征在于，启动加热后，获取目标水温与实时水温，根据加热装置的理论功率进行加热；同时，检测加热装置实际的加热功率，对比实际的加热功率和输出的理论功率，校正加热装置的加热功率。

2.根据权利要求1所述的功率反馈辅助的水温加热控制方法，其特征在于，通过检测获得的实际的加热功率，计算得出实时电压，根据实时电压与理论电压的差值校正加热装置的加热功率。

3.根据权利要求2所述的功率反馈辅助的水温加热控制方法，其特征在于，计算得出实时电压后，选择加热控制器参数，实现所述的方法适用于不同标准的接入电压。

4.根据权利要求1所述的功率反馈辅助的水温加热控制方法，其特征在于，对加热装置实际的加热功率的检测，通过检测电压检测、电流检测或电阻检测中的一种或者多种，进而得出加热功率。

5.根据权利要求1所述的功率反馈辅助的水温加热控制方法，其特征在于，检测加热装置实际的加热功率，包括加热时的瞬时功率、有效功率或有功功率的一种或者多种组合。

6.根据权利要求1所述的功率反馈辅助的水温加热控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）获取目标水温与实时水温，根据加热装置的理论功率进行加热；

2）判断本次加热控制周期是否结束，如果是，则进行新一轮的加热控制周期；如果否，则判断是否为采集实际功率的时间；

3）如果是，则采集实际功率，对比实际的加热功率和输出的理论功率，计算得出校正参数，利用校正参数对加热装置的加热功率进行校正；如果否，则等待采集实际功率的时间。

7.根据权利要求6所述的功率反馈辅助的水温加热控制方法，其特征在于，步骤3）中，校正参数的获取步骤如下：

3.1）判断实际功率与理论功率的差值是否超过阈值，如果否，则校正参数为1，校正后的功率为理论功率；

3.2）如果是，则计算得出实际功率与理论功率的倍率，作为校正参数，校正后的功率为理论功率与校正参数的乘积。

8.根据权利要求7所述的功率反馈辅助的水温加热控制方法，其特征在于，相邻两个采集实际功率的时间间隔小于加热控制周期。

9.根据权利要求1所述的功率反馈辅助的水温加热控制方法，其特征在于，对采集的实际功率进行均值滤波。

10.根据权利要求6所述的功率反馈辅助的水温加热控制方法，其特征在于，步骤2）所述的加热控制周期具体为：

2.1）获取目标水温与实时水温；

2.2）利用进水水温计算前馈控制功率，利用出水水温计算反馈控制功率，计算输出总功率；

2.3）当出水水温达到目标水温，则加热控制周期结束。

11.一种功率反馈辅助的水温加热控制装置，其特征在于，包括加热装置、温度检测装置、功率检测装置、控制器，温度检测装置、功率检测装置分别连接在加热装置与控制器间，分别用于以温度为反馈的控制的方式、以功率为辅助反馈控制的方式对加热装置进行控制。

12.根据权利要求11所述的功率反馈辅助的水温加热控制装置，其特征在于，控制器包括处理器单元、目标温度获取单元、隔离单元、加热电流及电压控制单元，处理器单元连接加热电流及电压控制单元，加热电流及电压控制单元与加热装置连接，对加热装置进行电流及电压控制；隔离单元连接于处理器单元与加热电流及电压控制单元之间；目标温度获取单元与处理器单元连接，用于获取加热的目标温度。

13.根据权利要求11所述的功率反馈辅助的水温加热控制装置，其特征在于，功率检测装置包括电压检测装置、电流检测装置或电阻检测装置中的一种或者多种组合，实现检测反映加热装置的加热功率的物理量。

14.根据权利要求13所述的功率反馈辅助的水温加热控制装置，其特征在于，所述的物理量包括瞬时功率、有效功率或有功功率的一种或者多种，或者用于计算得出瞬时功率、有效功率或有功功率的一种或者多种的基础物理量。

15.根据权利要求11所述的功率反馈辅助的水温加热控制装置，其特征在于，温度检测装置包括前馈控制器、反馈控制器，前馈控制器的前馈温度传感器安装在加热器进水口处，反馈控制器的反馈温度传感器安装在加热器出水口处，分别用于利用进水水温计算前馈控制功率，利用出水水温计算反馈控制功率。