CN107816793A - 一种智能坐便器瞬时加热系统、装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能坐便器瞬时加热系统、装置及控制方法，加热系统包括PID调节器、执行器、A/D转换器、D/A转换器以及温度传感器；PID调节器通过D/A转换器和执行器连接；执行器和被控对象连接；PID调节器和被控对象之间还设有反馈回路，A/D转换设置于反馈回路上；温度传感器用于检测加热系统的温度；PID调节器用于根据温度调节系统的加热功率；执行器用于根据加热功率对智能坐便器进行加热；采用以上技术方案，通过PID控制算法计算所需要调节功率，并通过点限速曲线控制辅助，以使进水按所需功率进行快速精确加热，从而使得加热装置可灵活运用于环境多变的系统中。

Description

一种智能坐便器瞬时加热系统、装置及控制方法

技术领域

本发明属于坐便器加热技术领域，具体涉及一种智能坐便器瞬时加热系统、装置及控制方法。

背景技术

清洗作为电子坐便器的主要功能之一，清洗的水温是电子坐便器的直观温度体验，清洗加热温度控制，关系到整体用户体验，甚至人身安全；由于电子坐便器产品各自结构、功能、使用环境、使用方法等的复杂性和多样性，导致水温控制的复杂性和多样性；整个加热部件的内部设计不同，如水流设计，温度传感器位置，加热器功率差异等，或者整个加热部件的外部使用不同，如进水温度，使用时间，频次等差异，都将导致清洗实现的效果差异；目前电子坐便器产品应用瞬时加热装置时，经常出现加热速度过慢或者加热过冲无法有效抑制等影响体验情况，并且在供电电压波动，供水流量波动，其他硬件偏差等导致水温表现各异。

基于上述坐便器水温加热中存在的技术问题，尚未有相关的解决方案；因此迫切需要寻求有效方案以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术中存在的不足之处，提出本发明提供一种智能坐便器瞬时加热系统、装置及控制方法，以针对智能坐便器水温上升进行有效预测，及时调节以免加热过度。

本发明提供一种智能坐便器瞬时加热系统，包括PID调节器、执行器、A/D转换器、D/A 转换器以及温度传感器；PID调节器通过D/A转换器和执行器连接；执行器和被控对象连接； PID调节器和被控对象之间还设有反馈回路，A/D转换设置于反馈回路上；温度传感器用于检测加热系统的温度；PID调节器用于根据温度调节系统的加热功率；执行器用于根据加热功率对智能坐便器进行加热。

进一步地，被控对象为加热装置；执行器为加热管；温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器；第一温度传感器用于检测智能坐便器的进水温度，第二温度传感器用于检测智能坐便器的出水温度。

相应地，本发明还提供一种智能坐便器瞬时加热装置，包括上述权利要求1所述的智能坐便器瞬时加热系统；温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器；还包括加热管和流量计；第一温度传感器设置于加热装置的进水口，第二温度传感器设置于加热装置的出水口；加热管设置于加热装置本体内，流量计设置于出水口端。

相应地，本发明还提供一种智能坐便器瞬时加热控制方法，包括上述所述的智能坐便器瞬时加热系统；还包括以下步骤：

S1：系统采样目标水温和被控对象当前水温；

S2：计算目标水温和被控对象当前水温的温度差值；

S3：通过PID调节器对所述温度差值进行计算获取功率增量；

S4：将所述功率增量转换为执行器的加热功率对被控对象进行加热。

采用以上技术方案，通过输入参数和计算达到目标水温所需要的参数，在各个温度点计算出所需要的功率，以使温度最终达到所需功率，从而按所需功率进行精确加热；本发明通过加热速度进行补充，使得系统的加热控制方法可灵活运用于环境多变的系统中。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种智能坐便器瞬时加热系统结构示意图；

图2为本发明一种智能坐便器瞬时加热装置结构示意图；

图3为本发明增量式PID控制方法程序图；

图4为本发明水温加热升温曲线图；

图5为本发明理想升温曲线与速度曲线对比图；

图6为本发明PID调节加热过程流程图；

图7为本发明PID调节升温阶段加热过程流程图；

图8为本发明PID调节稳定阶段加热过程流程图。

图中：1、第一温度传感器；2、第二温度传感器；3、流量计；4、出水管；5、进水管； 6、本体；7、装配板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明提供一种智能坐便器瞬时加热系统，包括PID调节器、执行器、A/D 转换器、D/A转换器以及温度传感器；PID调节器通过D/A转换器和执行器连接；执行器和被控对象连接；PID调节器和被控对象之间还设有反馈回路，A/D转换设置于反馈回路上；温度传感器用于检测加热系统的温度，温度包括系统的当前水温、加热过程中的水温、进水温度以及出水温度；PID调节器用于根据温度调节系统的加热功率，PID调节器起主导作用的是 P(比例)调节，因此对比例项的改进都要慎重，在限制比例项原则里，当偏差等于零时，比例作用不等于零，使得调节限位值更加偏离它的稳态值；执行器用于根据加热功率对智能坐便器进行加热；D/A转换器为数字转模拟转换器，本发明中可以由软件直接转换，不需要转换器；A/D转换器为模拟转数字转换器，本发明通过对温度传感器采样获得温度数字量；采用上述方案结构简单、能够结合该加热控制方法以实现更加精确的加热功率进行精确加热。

优选地，结合上述方案，本实施例中，还包括有监视器，监视器用于监视加热系统各个时间段上的加热情况，包括各个时间段上的温度；被控对象为加热装置，即智能坐便器的加热装置；执行器为加热管，即加热装置的加热管；温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器；第一温度传感器用于实时检测智能坐便器的进水温度，第二温度传感器用于实时检测智能坐便器的出水温度，并通过进水温度和出水温度差值进行对比，反馈至系统循环加热。

结合上述方案，如图1、3所示，PID调节器采用增量式PID控制和升温速度结合的方法；在图3中：

r(K)——目标值(即为目标水温)；

e(K)——偏差信号(即目标水温与当前水温差值)；

u(K)——算法输出量(即通过PID算法获得的量)；

u(t)——算法输出量转换的具体执行量(即加热功率)；

c(t)——被控对象当前采集量(即温度传感器采集模拟值)；

c(k)——被控对象当前采集量转换为当前量反馈继续计算(即当前温度数值)；

具体原理为：

在模拟控制系统中，PID算法的表达式为：

式中u——调节器的输出信号；

e——偏差信号(给定值与检测值之差)；

K——调节器的比例系数；

T₁——调节器的积分时间；

T_D——调节器的微分时间；

在计算机控制系统中，为实现数字控制，必须对上面的式子进行离散化处理；用数字形式的差分方程替代连续系统的微分方程；设定系统的采样周期为T，在t＝iT时刻进行采样，令：

e＝e_i (2)

式中：e_i——根据本次采样所得到的偏差；

e_i-1——由上次采样值所得到的偏差；

将上面的三式代入式子(1)中则有：

式(5)称为位置式PID控制算式；按照此式计算积分项(第二项)，为保存历次的偏差值还要占用很多的内存单元；

根据递推原理，

u_i-1＝K[(e_i-e_i-1)-(e_i-1-e_i-2)] (6)

将式5减去式6，则有：

式(7)称为增量式PID控制算式；式子中的△u_i为在第i-1次输出的基础上，输出的增加量(或减少量)；这种增量式PID算法在生产实际中比位置式PID算法更为常用；简化后可演变为：

△u_i＝K_P(e_i-e_i-1)+K_Ie_i+K_D[(e_i-e_i-1)-(e_i-1-e_i-2)] (8)

式中：K_P＝K，

由于K、T₁、T_D、T均为常数，所以K_P、K_I、K_D也均为常数，将给定值与每次经滤波处理后得到的温度检测值相减，得到偏差值，再和上次偏差e_i-e_i-1(初始值设为0)相减，得到e_i-1-e_i-2；根据式(8)可知，有了e_i、e_i-e_i-1、e_i-2及K_P、K_I、K_D三个常数，通过计算即可以得到Δu_i。

以上增量式PID控制算法编程简单，历史数据可以递推使用，具有运算速度快、精度高的特点。

如图4至图5所示，点限速曲线控制，在图4可能出现加热曲线中，选取最适加热曲线作为加热模板，在图5对加热各周期算法控制点的速度做标准限定，通过不断限定修正的方式，使加热曲线接近理想曲线，从而限定各周期算法控制点的参数，从而在任意变化系统中，存在脱离PID算法控制量，使加热曲线符合理想曲线，使瞬时加热装置出水获得良好的体验。

相应地，结合上述方案，如图2所示，本发明还提供一种智能坐便器瞬时加热装置，包括上述所述的智能坐便器瞬时加热系统；温度传感器包括第一温度传感器1和第二温度传感器2；还包括加热管和流量计3；第一温度传感器1设置于加热装置6的进水口，第二温度传感器设置于加热装置的出水口；加热管设置于加热装置本体6内，流量计3设置于出水口端，用于检测水流量，并根据水流量的大小调节加热功率，同样进水温度的情况下，谁来打需要的加热功率大；还包括有进水管5、出水管4及装配板7；进水管5连接与进水口端，用于连接外部水源；出水管4连接出水口端，用于连接外部出水管；装配板7可拆卸封装于进水端和出水端，便于安装温度传感器和流量计。

相应地，结合上述方案，如图3至图所示，本发明还提供一种智能坐便器瞬时加热控制方法，包括上述所述的智能坐便器瞬时加热系统；还包括以下步骤：

S1：系统采样目标水温r(K)和被控对象当前水温c(k)；

S2：计算目标水温和被控对象当前水温的温度差值e(K)；e(K)＝r(K)-c(k)；

S3：通过PID调节器对所述温度差值进行计算获取功率增量Δe(K)和控制增量Δu(K)；Δe(K)＝e(K)-e(K-1)；Δu(K)＝Kp.Δe(K)+Fi.e(K)+Kd[Δe(K)-Δe(K-1)]；

S4：将功率增量转换为执行器的加热功率对被控对象进行加热。

优选地，结合上述方案，S4步骤以后还包括以下步骤：

S5：系统检测当前加热后的变化水温，并由反馈回路回到S1步骤进行循环调节，直到当前水温和目标水温一致。

优选地，结合上述方案，如图4和图5所示，在S3步骤后还包括以下步骤：

S31：以当前周期的出水温度和上个周期的出水温度差值表示升温速度；

S32：通过升温速度预测预定一条理想升温曲线，并以该理想曲线进行调整加热；

S33：通过分段将理想升温曲理想化为多个时间温度点，并作为多个时间温度阶段的加热目标值。

优选地，结合上述方案，本实施例中，还包括以下步骤：

S34：预设理想升温曲线，并通过监视器监视出水温度，并实时反馈监视理想升温曲线各个时间的温度点；监视器监视过程通过软件实现，以实现精确实时监视；当各个时间的实际加热温度点偏离加热目标值时，通过PID调节器加热功率进行调整加热；通过加热系统多次 PID调节、纠正，使升温曲线接近理想升温曲线；并且可以通过改变预设曲线的形状，达到不同升温效果。

优选地，结合上述方案，如图6所示，S4步骤中，具体加热过程为：

S41：系统按当前升温速度加热后是否到达目标水温；若能够达到，则进入稳定阶段；若无法达到，则进入升温阶段；

S42：判断升温阶段后是否温度达到目标温度；若能够达到，则进入稳定阶段；若无法达到，则系统加热停留在升温阶段；本周期加热控制结束，下个周期继续调节、加热。

优选地，结合上述方案，如图7所示，升温阶段还包括以下步骤：

S411：系统按当前升温速度加热后是否到达目标水温；若能够达到，系统跳转至稳定阶段；若不能够达到，则判断加热速度是否超过选定列表速度；

S412：若加热速度超过选定列表速度，则进行负修正加热功率调整；若加热速度低于选定列表速度，则进一步判断加热速度是否过慢；

S413：若加热速度过慢，则进行正修正加热功率调整；若加热速度没有过慢没，则按加热功率进行加热，加热功率等于需要功率加修正功率之和。

优选地，结合上述方案，如图8所示，稳定阶段还包括以下步骤：

S421：判断温度是否达到设定温度范围内，若能够达到，则使用当前功率继续加热，直到系统加热结束；

S422：若低于温度设定范围，则定周期累加功率；若高于温度设定范围，则定周期累减功率；

S423：最后按加热功率进行加热，直到系统加热结束；加热功率等于需要功率加累积功率，累积功率等于定周期累减功率或定周期累加功率。

采用以上技术方案，通过输入参数和计算达到目标水温所需要的参数，在各个温度点计算出所需要的功率，以使温度最终达到所需功率，从而按所需功率进行精确加热；本发明通过加热速度进行补充，使得加热系统的加热控制方法可灵活运用于环境多变的系统中。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能坐便器瞬时加热系统，其特征在于，包括PID调节器、执行器、A/D转换器、D/A转换器、流量计以及温度传感器；所述PID调节器通过所述D/A转换器和所述执行器连接；所述执行器和被控对象连接；所述PID调节器和所述被控对象之间还设有反馈回路，所述A/D转换设置于所述反馈回路上；

所述温度传感器用于检测所述加热系统的温度；

所述流量计用于检测所述加热系统的水流量；

所述PID调节器用于根据所述温度和所述水流量调节系统的加热功率；

所述执行器用于根据所述加热功率对所述智能坐便器进行加热。

2.根据权利要求1所述的智能坐便器瞬时加热装置，其特征在于，所述被控对象为加热装置；所述执行器为加热管；所述温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器；所述第一温度传感器用于检测智能坐便器的进水温度，所述第二温度传感器用于检测智能坐便器的出水温度。

3.一种智能坐便器瞬时加热装置，其特征在于，包括上述权利要求1所述的智能坐便器瞬时加热系统；所述温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器；还包括加热管和流量计；所述第一温度传感器设置于所述加热装置的进水口，所述第二温度传感器设置于所述加热装置的出水口；所述加热管设置于所述加热装置本体内，所述流量计设置于所述出水口端。

4.一种智能坐便器瞬时加热控制方法，其特征在于，包括上述权利要求1所述的智能坐便器瞬时加热系统；还包括以下步骤：

S1：系统采样目标水温和被控对象当前水温；

S2：计算目标水温和被控对象当前水温的温度差值；

S3：通过PID调节器对所述温度差值进行计算获取功率增量；

S4：将所述功率增量转换为执行器的加热功率对被控对象进行加热。

5.根据权利要求4所述的智能坐便器瞬时加热控制方法，其特征在于，所述S4步骤以后还包括以下步骤：

S5：系统检测当前加热后的变化水温，并由反馈回路回到所述S1步骤进行循环，直到当前水温和目标水温一致。

6.根据权利要求4所述的智能坐便器瞬时加热控制方法，其特征在于，在所述S3步骤后还包括以下步骤：

S31：以当前周期的出水温度和上个周期的出水温度差值表示升温速度；

S32：通过升温速度预测预定一条理想升温曲线，并以该理想曲线进行调整加热；

S33：通过分段将理想升温曲理想化为多个时间温度点，并作为多个时间温度阶段的加热目标值。

7.根据权利要求6所述的智能坐便器瞬时加热控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S34：预设理想升温曲线，通过出水温度实时反馈监视理想升温曲线各个时间的温度点；当各个时间的实际加热温度点偏离加热目标值时，通过系统调节加热功率进行调整加热。

8.根据权利要求4所述的智能坐便器瞬时加热控制方法，其特征在于，所述S4步骤中，具体加热过程为：

S41：系统按当前升温速度加热后是否到达目标水温；若能够达到，则进入稳定阶段；若无法达到，则进入升温阶段；

S42：判断升温阶段后是否温度达到目标温度；若能够达到，则进入稳定阶段；若无法达到，则停留在升温阶段。

9.根据权利要求8所述的智能坐便器瞬时加热控制方法，其特征在于，所述升温阶段还包括以下步骤：

S411：系统按当前升温速度加热后是否到达目标水温；若能够达到，系统跳转至稳定阶段；若不能够达到，则判断加热速度是否超过选定列表速度；

S412：若加热速度超过选定列表速度，则进行负修正加热功率调整；若加热速度低于选定列表速度，则进一步判断加热速度是否过慢；

S413：若加热速度过慢，则进行正修正加热功率调整；若加热速度没有过慢没，则按加热功率进行加热，加热功率等于需要功率加修正功率之和。

10.根据权利要求8所述的智能坐便器瞬时加热控制方法，其特征在于，所述稳定阶段还包括以下步骤：

S421：判断温度是否达到设定温度范围内，若能够达到，则使用当前功率继续加热，直到系统加热结束；

S422：若低于温度设定范围，则定周期累加功率；若高于温度设定范围，则定周期累减功率；

S423：最后按加热功率进行加热，直到系统加热结束；加热功率等于需要功率加累积功率，累积功率等于定周期累减功率或定周期累加功率。