CN106907846B - 一种热水器及其温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动控制技术领域，本发明提供一种热水器及其控制方法，在热水器的加热腔内设置有第一加热管和第二加热管；在壳体内设置有温度传感器，用于检测加热腔内的水温；还包括控制器，接收所述温度传感器检测到的水温信号，控制所述第一加热管和/或第二加热管进行加热，并调节所述第一加热管和/或第二加热管的加热频率。该方案中，通过设置两个加热管来提高加热速度，通过控制器结合当前的加热情况来控制第二加热管和第二加热管的加热过程。采用模糊控制的方式进行加热模式控制，利用温度传感器反馈的热水器内热水温度，对热水器加热管工作模式进行调节，在三种模式之间进行切换，满足用户不同情况下对热水的需求。

Description

一种热水器及其温度控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种热水器及其温度控制方法。

背景技术

随着人们生活水平的日益提高，热水器成为日常家用设备。目前，电热水器越来越多地在家庭中使用，由于当前大多热水器不具备全自动功能，在加热过程中对电能的浪费很大。此外，电加热器由于加热过程缓慢，加热需要一定的时间，因此一般都需要提前加热一段时间才能使用。

为了提高加热速度，中国专利文献CN205717857U中公开了一种双管加热式热交换器，包括加热器胆、加热内胆、进水管、出水管、电热管以及控制电路，一个电热管设置在加热器胆底部，另一个电热管设于加热胆中，加热内胆顶部与出水管的进水口端相接。该方案提高热水器加热速度，短时间预热后则可以提供热水。但是，由于电热水器一般都是加热到预定温度后才会停止加热，因此整个加热过程中的功率是相同的，只要此过程中用户不关闭开关，加热管则会持续发热，但是一般而言当温度上升后，则无需大功率加热，容易产生过度加热的问题，这既是对加热管的损耗，也是对能源的浪费。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的电热水器无法根据加热温度调整加热功率，对加热管造成损耗、浪费能量的缺陷。

本发明提供一种热水器，包括壳体，所述壳体内形成加热腔，在壳体上设置有出水口和进水口，在外壳内设置有第一加热管和第二加热管；在壳体内设置有温度传感器，用于检测加热腔内的水温；还包括控制器，接收所述温度传感器检测到的水温信号，控制所述第一加热管和/或第二加热管进行加热，并调节所述第一加热管和/或第二加热管的加热频率。

优选地，进水口设置在壳体底部，所述出水口设置壳体上部，所述第一加热管靠近所述出水口，所述温度传感器设置在所述出水口处。

优选地，还包括：

计时器，用于控制所述第一加热管和/或第二加热管的加热时间；和/ 或

远程遥控器，通过无线信号与所述控制器连接，用于手动设置所述热水器的加热模式。

本发明还提供一种温度控制方法，用于所述的热水器的控制器中，包括如下步骤：

分别获取加热腔内的水温信号和已加热时间；

对水温信号进行第一模糊处理获得水温隶属度；

对已加热时间进行第二模糊处理获得加热时间隶属度；

根据所述水温隶属度和所述加热时间隶属度确定目标加热模式；

根据所述水温隶属度和所述加热时间隶属度计算目标加热模式的可信度；

根据所述目标加热模式及其可信度确定输出的隶属度；

根据所述输出的隶属度进行反模糊化获得加热功率。

可选地，所述对水温进行第一模糊处理获得水温隶属度的处理中，包括：

将水温分为三个模糊集：高温模糊集、中温模糊集、低温模糊集；

选用如下三角形隶属函数获得水温隶属度：

其中，x为水温，单位为摄氏度，a为预设的温度阈值，a选择为10-20 摄氏度；μ_LH(x)为低温隶属度，μ_MH(x)为中温隶属度，μ_HH(x)为高温隶属度。

可选地，所述对已加热时间进行第二模糊处理获得加热时间隶属度的处理，包括：

将已加热时间分为三个模糊集，分别为：短时间模糊集，中等时间模糊集，长时间模糊集；

选用如下三角形隶属函数计算加热时间隶属度：

其中，y为已加热时间，b为预设的时间阈值，b可以选择为3-7分钟；μ_ST(y)为短时间隶属度，μ_MT(y)为中等时间隶属度，μ_LT(y)为长时间隶属度。

可选地，所述根据所述水温隶属度和所述加热时间隶属度确定目标加热模式的步骤，包括：

水温属于低温模糊集对应的加热模式为第一加热模式；

水温属于中温模糊集其对应的加热模式为第二加热模式；

水温属于高温模糊集时，当加热时间属于短时模糊集时对应的加热模式为第二加热模式，当加热时间属于中等时间模糊集或长时间模糊集时，对应的加热模式为第三加热模式；

其中，所述第一加热模式为第一加热管和第二加热管同时工作；所述第二加热模式为第一加热管工作，所述第三加热模式为第二加热管工作，所述第一加热管的加热功率大于所述第二加热管的加热功率。

可选地，根据所述水温隶属度和所述加热时间隶属度计算目标加热模式的可信度的处理，包括：

将所述水温隶属度和所述加热时间隶属度中的较小值作为其对应的加热模式的可信度。

可选地，根据所述目标加热模式及其可信度确定输出的目标加热模式的隶属度的处理，包括：

将所有目标加热模式取并集，选取最大置信度作为输出的隶属度。

1可选地，所述根据所述输出的的隶属度进行反模糊化获得加热功率的处理，包括：

通过以下三角形隶属函数计算加热功率：

其中，z为加热功率，c为加热功率阈值，c选择800-1200w，μ_DB为第三加热模式隶属度，μ_N为第二加热模式隶属度，μ_UB为第一加热模式隶属度。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的热水器，在加热腔内设置有第一加热管和第二加热管；在壳体内设置有温度传感器，用于检测加热腔内的水温；还包括控制器，接收所述温度传感器检测到的水温信号，控制所述第一加热管和/或第二加热管进行加热，并调节所述第一加热管和/或第二加热管的加热频率。该方案中，通过设置两个加热管来提高加热速度，通过控制器结合当前的加热情况来控制第二加热管和第二加热管的加热过程，只需要一个加热管时无需两个加热管同时工作，从而提高了加热管的使用寿命，并提高了能量利用率。

2.本发明提供的热水器，在其中加入计时器，根据加热时间和温度传感器获得的热水器水温，发出提示，自动选择切换加热模式、关闭无需使用的加热管，避免了过度加热问题对能量的浪费。

3.本发明提供的温度控制方法，采用模糊控制的方式进行加热模式控制，利用温度传感器反馈的热水器内热水温度，对热水器加热管工作模式进行调节，在三种模式之间进行切换，满足用户不同情况下对热水的需求，解决了多次手动调节温度对电能和水的浪费，提高了加热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中热水器的结构框图；

图2为本发明实施例中远程遥控器的结构示意图；

图3为本发明实施例中的温度控制方法的流程图；

图4为本发明实施例中的水温隶属度的隶属函数曲线示意图；

图5为本发明实施例中的加热时间隶属度的隶属函数曲线示意图；

图6为本发明实施例中的加热模式隶属度的隶属函数曲线示意图；

附图标记：

1-外壳； 2-第一加热管；

3-第二加热管 4-温度传感器

5-出水口 6-进水口

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例中提供一种热水器，属于电热水器，通过电能进行加热。该热水器包括壳体1，所述壳体1内形成加热腔，在壳体1上设置有出水口5 和进水口6，进水口6设置在壳体底部，出水口5设置壳体上部。在外壳1 内设置有第一加热管2和第二加热管3，分别用于对加热腔内的热水进行加热。第一加热管2靠近所述出水口5。第一加热管2和第二加热管3可以分别单独控制，单独加热或同时加热均可。在壳体1内设置有温度传感器4，所述温度传感器4设置在所述出水口处。用于检测加热腔内的水温。该热水器还包括控制器，控制器可以设置在壳体外的电路板上，接收所述温度传感器4检测到的水温信号，根据水温信号控制所述第一加热管2和第二加热管3进行加热，并调节所述第一加热管2和第二加热管3的加热频率。第一加热管2和第二加热管3可以单独控制，可以只开启一个或同时打开。例如可以选择第一加热管功率为2000w，第二加热管功率为1000w，所以全功率加热时为3000w。

该热水器可以有三类加热模式：半胆加热模式，即为仅第一加热管2 加热；全胆加热模式，即为第一加热管2和第二加热管3同时加热；恒温模式，即为仅第二加热管3加热。其中设置成第一加热管2的加热功率大于第二加热管3的加热功率。

本实施例中的热水器具有双加热管结构,配合控制器进行一个加热管或两个加热管进行加热,均能很好地满足使用要求,而且省时省电。将智能控制与变频加热技术相结合，对热水器发热功率进行控制，使热水器水温维持在合适的范围，避免多余电量的浪费；达到热水恒温，具有良好控温效果，可以实现节能节电。此外，该方案中进水口6设置于壳体底部位置,出水口5设置于靠近第一加热管2的壳体顶部，由此解决了现有热水器上水热，下水冷的问题。

作为进一步的优选方案，该热水器还设置计时器，用于计量所述第一加热管和/或第二加热管的加热时间，从而控制器可以结合温度传感器检测的水温和计时器计量的加热时间来进行加热模式的切换。此外，为了保证加热管的寿命，还可以根据加热时间发出提示，自动选择切换加热模式或关闭其中长时间工作的加热管，避免了过度加热问题对能量的浪费。

此外，该热水器还可以进行远程设置，通过远程遥控器来对热水器进行设置，该远程遥控器通过无线信号与所述控制器连接，用于手动设置所述热水器的加热模式。利用红外线接受/发射装置制作热水器的遥控器，如图2所示，对控制器进行远程操控，方便快捷。遥控器的具体操作按钮可分为：

1.开/关键，

2.模式键，可切换三种模式：

1)全胆加热模式(第一加热管和第二加热管同时工作)

2)半胆加热模式(仅第一加热管加热)

3)恒温模式(仅第二加热管加热)

3.定时模式，选择后，默认在加热模式下加热20分钟，加热时间达到后自动停止，并发出提醒，可通过调整键进行加热时间设定。

4.加热时间调整键：上/下(设定每按一次上/下键，调整加热时间增加/ 减少5分钟)。

通过该遥控器可以对热水器进行更好的远程控制，也便于用户根据需要自主选择加热模式。

实施例2：

本实施例中提供一种温度控制方法，可用于实施例1中的热水器的控制器中，对热水器中的水温进行加热控制。本实施例中的温度控制方法，采用模糊控制的方式进行温度控制，设置模糊控制策略，从而获得优选的加热模式进行加热。

本实施例中的控制器采用模糊控制，设定数据库和规则库，对模糊集进行模糊化，建立推理机，实现控制过程中对水温和热水器发热功率的控制。其核心方案为：根据对于热水的需求来设定模糊集，将加热模式分为三个模糊集：N(半胆加热模式)，UB(全胆加热模式)，DB(恒温加热模式)；将探测器得到的温度分为三个模糊集：HH(高温模糊集)，MH(中温模糊集)，LH(低温模糊集)；将加热时间分为三模糊集：ST(短时间模糊集，如15分钟内)，MT(中等时间模糊集，例如15-20分钟)，LT(长时间模糊集，如大于20分钟)。

本实施例中采用模糊控制的温度控制方法，包括如下步骤：

S1、分别获取加热腔内的水温信号和已加热时间。

水温信号是根据加热腔内的温度传感器检测的温度信号得到的，已加热时间为计时器得到的。这样就可以获得当前的温度，以及当前已经加热的时间。

S2、对水温信号进行第一模糊处理获得水温隶属度。

将水温分为三个模糊集：高温模糊集、中温模糊集、低温模糊集；

选用如下三角形隶属函数获得水温隶属度：

其中，x为水温，单位为摄氏度，a为预设的温度阈值，a选择为10-20 摄氏度；μ_LH(x)为低温隶属度，μ_MH(x)为中温隶属度，μ_HH(x)为高温隶属度。

本实施例中a＝15，其对应的隶属函数曲线如图4所示。

假定当前传感器测得的信息为：x₀(水温)＝40℃，计时器测得的信息为 y₀(加热时间)＝20min分别代入所述的隶属度为

S3、对已加热时间进行第二模糊处理获得加热时间隶属度。

将已加热时间分为三个模糊集，分别为：短时间模糊集，中等时间模糊集，长时间模糊集；

选用如下三角形隶属函数计算加热时间隶属度：

其中，y为已加热时间，b为预设的时间阈值，b可以选择为3-7；μ_ST(y) 为短时间隶属度，μ_MT(y)为中等时间隶属度，μ_LT(y)为长时间隶属度。

本实施例中b＝5，其对应的隶属函数曲线如图5所示。

假定当前传感器测得的信息为：x₀(水温)＝40℃，计时器测得的信息为 y₀(加热时间)＝20min分别代入所述的隶属度为

S4、根据所述水温隶属度和所述加热时间隶属度确定目标加热模式。

预先设置模糊规则，即根据水温隶属度和加热时间确定其对应的加热模式，加热模式为三种：

第一加热模式UB(全胆加热模式)，第一加热模式为第一加热管和第二加热管同时工作。

第二加热模式N(半胆加热模式)，所述第二加热模式为第一加热管工作。

第三加热模式DB(恒温加热模式)；所述第三加热模式为第二加热管工作，其中，所述第一加热管的加热功率大于所述第二加热管的加热功率。所以恒温时选择第二加热管。

三种加热模式中，分别为全胆加热模式，半胆加热模式，恒温模式，其中，全胆加热模式为第一加热管和第二加热管同时工作，加热管功率分别为2000w和1000w，所以全功率加热时为3000w，半胆加热模式为仅第一加热管加热，功率为2000w，恒温模式为仅第二加热管加热，维持已经达到的所需温度。

水温和时间对应的加热模式如表1所示，当水温属于低温模糊集对应的加热模式为第一加热模式，此时无论加热时间属于哪个集合均对应第一加热模式。水温属于中温模糊集其对应的加热模式为第二加热模式；此时也无论加热时间属于哪个模糊集合均对应第二加热模式。水温属于高温模糊集时，当加热时间属于短时模糊集时对应的加热模式为第二加热模式，当加热时间属于中等时间模糊集或长时间模糊集时，对应的加热模式为第三加热模式。模糊规则表如下表1所示。

表1模糊规则表

将上述计算出来的隶属度代入表1中，得到匹配的模糊规则，如表2 所示。

表2模糊推理结果

得到四条匹配的模糊规则，即

RULE 1：IF x is MT and y is MH，THEN z is N

RULE 2：IF x is MT and y is HH，THEN z is DB

RULE 3：IF x is LT and y is MH，THEN z is N

RULE 4：IF x is LT and y is HH，THEN z is DB

S5、根据所述水温隶属度和所述加热时间隶属度计算目标加热模式的可信度。

将所述水温隶属度和所述加热时间隶属度中的较小值作为其对应的加热模式的可信度。

前提可信度为min(μ_x水温，μ_{y加热时间})

规则1前提可信度为：min(1/2,1/3)＝1/3

规则2前提可信度为：min(1/2,2/3)＝1/2

规则3前提可信度为：min(1/2,1/3)＝1/3

规则4前提可信度为：min(1/2,2/3)＝1/2。

计算出的模糊规则的强度表见表3所示：

表3规则强度表

S6、根据所述目标加热模式及其可信度确定输出的目标加热模式的隶属度；

将所有目标加热模式取并集，选取置信度最大的目标加热模式作为输出的目标加热模式，将该置信度作为输出的隶属度。

各条可信度规则并集即为模糊系统总输出的隶属度μ_agg(z)

可见，有两条规则触发。

模糊系统总的输出是两个规则推力结果的并集，后续是以最大隶属度平均法为例进行反模糊化，加热功率隶属度最大为1/2，所以后续只用1/2 进行计算。

S7、根据所述目标加热模式的隶属度进行反模糊化获得加热功率；

通过以下三角形隶属函数计算加热功率：

其中，z为加热功率，c为加热功率阈值，c选择800-1200w，μ_DB为第三加热模式隶属度，μ_N为第二加热模式隶属度，μ_UB为第一加热模式隶属度。

本实施例中c＝1000w，其对应的隶属函数曲线图如图6所示。

上述公式中，μ_DB、μ_N、μ_UB确定后，可以计算出加热功率z，通过该反推可以获得加热功率。

根据上述隶属度计算公式采用最大隶属度平均法进行反模糊化。反模糊化求出加热模式，采用最大平均法，可得到精确输出，即热水器此时所处于的加热模式。

将代入加热模式隶属函数中的μ_N(z)，得

得z₁＝500,z₂＝1500。

采用最大隶属度平均法，可得精确输出为故采用恒温加热模式。

由于第一加热管和第二加热管的功率分别为2000w和1000w，全胆加热模式为第一加热管和第二加热管同时工作，所以全功率加热时为3000w，半胆加热模式为仅第一加热管加热，功率为2000w，恒温模式为仅第二加热管加热，维持已经达到的所需温度，加热功率为1000w。故1000w为恒温加热模式。

通过上述方法完成了模糊控制算法对热水器加热模式的控制。根据输出的加热模式开启选择的第一加热管或第二加热管，根据输出功率调整第一加热管或第二加热管的加热频率，实现对热水器的合理控制。从而可以根据最终计算出的加热功率控制相应的第一加热管和/或第二加热管进行加热。

本实施例中的温度控制方法采用模糊控制，可以根据测量得到的有效参数，对热水器的加热模式进行控制，达到实时控温的功能，减少了多次调节温度、加热时间过长等问题所导致的能源浪费问题。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种温度控制方法，用于热水器的控制器中，所述热水器，包括壳体，所述壳体内形成加热腔，在壳体上设置有出水口和进水口，在外壳内设置有第一加热管和第二加热管；在壳体内设置有温度传感器，用于检测加热腔内的水温；所述控制器，接收所述温度传感器检测到的水温信号，控制所述第一加热管和/或第二加热管进行加热，并调节所述第一加热管和/或第二加热管的加热频率，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

分别获取加热腔内的水温信号和已加热时间；

对水温信号进行第一模糊处理获得水温隶属度；

对已加热时间进行第二模糊处理获得加热时间隶属度；

根据所述水温隶属度和所述加热时间隶属度确定目标加热模式；

根据所述水温隶属度和所述加热时间隶属度计算目标加热模式的可信度；

根据所述目标加热模式及其可信度确定输出的隶属度；

根据所述输出的隶属度进行反模糊化获得加热功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对水温进行第一模糊处理获得水温隶属度的处理中，包括：

将水温分为三个模糊集：高温模糊集、中温模糊集、低温模糊集；

选用如下三角形隶属函数获得水温隶属度：

其中，x为水温，单位为摄氏度，a为预设的温度阈值，a选择为10-20摄氏度；μ_LH(x)为低温隶属度，μ_MH(x)为中温隶属度，μ_HH(x)为高温隶属度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对已加热时间进行第二模糊处理获得加热时间隶属度的处理，包括：

将已加热时间分为三个模糊集，分别为：短时间模糊集，中等时间模糊集，长时间模糊集；

选用如下三角形隶属函数计算加热时间隶属度：

其中，y为已加热时间，b为预设的时间阈值，b选择为3-7分钟；μ_ST(y)为短时间隶属度，μ_MT(y)为中等时间隶属度，μ_LT(y)为长时间隶属度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述水温隶属度和所述加热时间隶属度确定目标加热模式的步骤，包括：

水温属于低温模糊集对应的加热模式为第一加热模式；

水温属于中温模糊集其对应的加热模式为第二加热模式；

水温属于高温模糊集时，当加热时间属于短时模糊集时对应的加热模式为第二加热模式，当加热时间属于中等时间模糊集或长时间模糊集时，对应的加热模式为第三加热模式；

其中，所述第一加热模式为第一加热管和第二加热管同时工作；所述第二加热模式为第一加热管工作，所述第三加热模式为第二加热管工作，所述第一加热管的加热功率大于所述第二加热管的加热功率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述水温隶属度和所述加热时间隶属度计算目标加热模式的可信度的处理，包括：

将所述水温隶属度和所述加热时间隶属度中的较小值作为其对应的加热模式的可信度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述目标加热模式及其可信度确定输出的目标加热模式的隶属度的处理，包括：

将所有目标加热模式取并集，选取最大置信度作为输出的隶属度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述输出的的隶属度进行反模糊化获得加热功率的处理，包括：

通过以下三角形隶属函数计算加热功率：

其中，z为加热功率，c为加热功率阈值，c选择800-1200w，μ_DB为第三加热模式隶属度，μ_N为第二加热模式隶属度，μ_UB为第一加热模式隶属度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进水口设置在壳体底部，所述出水口设置壳体上部，所述第一加热管靠近所述出水口，所述温度传感器设置在所述出水口处。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热水器还包括：

计时器，用于控制所述第一加热管和/或第二加热管的加热时间；和/或

远程遥控器，通过无线信号与所述控制器连接，用于手动设置所述热水器的加热模式。