CN109160562A - 一种可控硅水机速热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水加热技术领域的一种可控硅水机速热方法，该方法所涉及的硬件结构包括环境温度传感器、高温温度传感器、流量计、PWM可变流量供水泵、PWM可控硅速热模组、电控模块、通水管路，实时地根据实际周围环境温度、设定目标温度、当前实际温度、实际流速以及历史温升曲线记录对输出水泵的转速和速热模块的输出功率进行调节，该方法适用的智能处理芯片选用STM32系列芯片。能够根据用户的不同使用环境和使用历史记录灵活调节加热功率和水泵流速，具有流速稳定、温升迅速以及温度波动小的优点。

Description

一种可控硅水机速热方法

技术领域

本发明涉及水加热技术领域，具体来说，是一种可控硅水机速热方法。

背景技术

目前水机的速热方案硬件仅依靠高温温度传感器完成对温度的实时监控。软件主要局限于固定参数的PID调节方法和简单比例调节方法。由于PID参数在出厂时已经固定，难以适应不同高低温的实际工作环境，此外固定参数在一定程度上影响PID调节的维持精度，在实际工作过程中可能会出现比较大的温度过冲、温度大范围波动的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可控硅水机速热方法，速热效果迅速，温度跳变小，拥有对不同工作环境的适应能力。

本发明的目的是这样实现的：一种可控硅水机速热方法，该方法所涉及的硬件结构包括环境温度传感器、高温温度传感器、流量计、PWM可变流量供水泵、PWM可控硅速热模组、电控模块、通水管路，所述通水管路的进水端与水箱接通，所述电控模块包含智能处理芯片、Flash存储器、滤波电路、PWM输出电路、温度设置界面以及用于启停热水提供的开关，所述智能处理芯片选用STM32系列芯片,所述环境温度传感器、PWM可变流量供水泵、流量计、PWM可控硅速热模组、高温温度传感器按照水流方向依次设置在通水管路上，所述环境温度传感器、高温温度传感器、流量计、PWM可变流量供水泵、PWM可控硅速热模组均与电控模块连接；

该方法包含如下步骤：

(a)用户设置目标温度，并打开电控模块的开关，环境温度传感器获取当前环境温度并反馈给电控模块；

(b)上述电控模块的智能处理芯片在接收到放热水指令后，依靠以往历次加热的工作过程中得到温升曲线、初始环境温度、最近一次的PID调节整定参数，首先与现有的初始环境温度进行比较，如果当前温度低于以往的温度，则增大PWM可控硅速热模组的预热时间并提高PWM占空比，反之减少PWM可控硅速热模组的预热时间；

(c)预热完成后，启动PWM可变流量供水泵开始供水，同时进行PID项的积分分离，在第一次到达设定温度之前根据温升斜率调节速热PWM输出占空比和出水泵PWM占空比，直到维持可控的温升斜率；

(d)在到第一次达设定温度时，加入积分项，取消分离比例项，同时根据以往历史记录减少速热PWM输出；

(e)在第一次到达稳态以后，将最近一次的温升曲线作为调节的初始数据，并根据环境温度的变化和实时热水温度的变化进行增量式PID的动态调节，利用智能处理芯片的内存实时缓存并修正本次正在调节的PID实时数据，实时判断是否出现了温度过冲和大范围的温度波动并进行PID动态调节，如果出现温升过冲，则调节PWM可变流量供水泵和PWM可控硅速热模组的PWM输入，如果没有温升过冲，则根据温度波动周期、范围进行PID参数修正、死区参数修正。

进一步地，停止放热水时，PWM可变流量供水泵、PWM可控硅速热模组停止工作，并根据本次速热放水的温升曲线的特点，计算并生成加入本次经历的系数和PID调节系数，并将其与本次速热工作的初始信息更新进入Flash存储器中作为下一次工作的初始参数。

进一步地，在上述(e)步骤中，当实际温度变化超过2℃时，还将增加水泵的PWM占空比调节。

进一步地，在上述(e)步骤中，当温度震荡范围超过5℃时，还将启动PID参数的实时修正算法对参数进行修正。

本发明的有益效果在于：能够根据用户的不同使用环境和使用历史记录灵活调节加热功率和水泵流速，能够适应不同的应用环境，具有流速稳定、温升迅速以及温度波动小的优点。

附图说明

图1是该方法所涉及的硬件结构示意图。

图中，1环境温度传感器，2高温温度传感器，3流量计，4PWM可变流量供水泵，5PWM可控硅速热模组，6电控模块，7通水管路，8水箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，可控硅水机速热方法所涉及的硬件结构包括环境温度传感器1、高温温度传感器2、流量计3、PWM可变流量供水泵4、PWM可控硅速热模组5、电控模块6、通水管路7，通水管路7的进水端与水箱8接通，电控模块6包含智能处理芯片、Flash存储器、滤波电路、PWM输出电路、温度设置界面以及用于启停热水提供的开关，智能处理芯片优选为意法半导体公司STM32系列的STM32F103VET6芯片,环境温度传感器1用于检测当前环境温度，高温温度传感器2用于实时侦测热水的温度，PWM可控硅速热模组5用于加热通水管路中的水流，环境温度传感器1、PWM可变流量供水泵4、流量计3、PWM可控硅速热模组5、高温温度传感器2按照水流方向依次设置在通水管路7上，环境温度传感器1、高温温度传感器2、流量计3、PWM可变流量供水泵4、PWM可控硅速热模组5均与电控模块6连接。

该方法包括如下的步骤：

第一步，用户通过温度设置界面设置需要速热的温度，必须保证水箱8中有足够的常温水，然后打开电控模块6的开关，环境温度传感器1获取当前环境温度并反馈给电控模块6，以确定实际的起始水温。

第二步，上述电控模块6的智能处理芯片在接收到放热水指令后，依靠以往历次加热的工作过程中得到温升曲线、初始环境温度、最近一次的PID调节整定参数，首先与现有的初始环境温度进行比较，如果当前温度低于以往的温度，则增大PWM可控硅速热模组5的预热时间并提高PWM占空比，反之减少PWM可控硅速热模组5的预热时间。

第三步，预热完成后，启动PWM可变流量供水泵4开始供水，同时进行PID项的积分分离，在第一次到达设定温度之前根据温升斜率调节速热PWM输出占空比和出水泵PWM占空比，当温升超过10℃/100ms时每100ms减少速热PWM输出占空比，直到维持可控的温升斜率。

第四步，在到第一次达设定温度时，加入积分项，取消分离比例项，同时根据以往历史记录减少速热PWM输出。消除可能出现的温度过冲现象。

第五步，在第一次到达稳态以后，将最近一次的温升曲线作为调节的初始数据，并根据环境温度的变化和实时热水温度的变化进行增量式PID的动态调节，利用智能处理芯片的内存实时缓存并修正本次正在调节的PID实时数据，实时判断是否出现了温度过冲和大范围的温度波动并进行PID动态调节，其调节量主要由式(1)确定，如果出现温升过冲，则调节PWM可变流量供水泵4和PWM可控硅速热模组5的PWM输入，如果没有温升过冲，则根据温度波动周期、范围进行PID参数修正、死区参数修正。

当实际温度变化超过2℃时，还将增加水泵的PWM占空比调节。当温度震荡范围超过5℃时，还将启动PID参数的实时修正算法对参数进行修正。

式1：

式中：

PWMout：需要调节的速热PWM变化量；

Tsen：由高温温度传感器采集到的当前温度；

Ka：历史放水记录中的调节转换系数1，随PID调节变化；

Tset：本次放热水用户的设定温度；

Tini：低温温度传感器采集到的环境温度；

Kb：历史放水记录中的调节转换系数2，随PID调节变化；

Kp：历史记录中的比例调节系数；

Ki：历史记录中的积分调节系数；

Kd：历史记录中的微分调节系数；

t：PID计算时间变量。

由于PID调节过程中不可避免存在的死区设定问题，当死区选定过大时，调节力度小，但是温度偏移量比较大，当死区选定太小时，调节频繁且迅速，但是容易引起超调节导致大范围的温度震荡和过冲现象。本例中，该参数由温度震荡区间的实时情况自动变化，如果温度变化率超过5℃，则选定设定温度上下各2℃为死区，当温度变化率小于2摄氏度时，切换成1℃为调节死区。

停止放热水时，PWM可变流量供水泵4、PWM可控硅速热模组5停止工作，并根据本次速热放水的温升曲线的特点，计算并生成加入本次经历的系数Ka、Kb和PID调节系数Kp、Ki、Kd。并将其与本次速热工作的初始信息更新进入Flash存储器中作为下一次工作的初始参数。其中Kp推算的主要公式由公式2所示，Ka推算的主要公式由公式3所示。

公式2：

式中：

Kpn：更新的比例计算系数；

Kpo：原始的比例计算系数；

Tset：本次速热的设定温度；

Tinit：本次暑热的初始温度；

Tpr：本次速热过程中出现的过冲最大温度；

T：本次速热过程中地以此达到设定温度的时间；

C：计算用常数项。

式3：

式中：

Kan：更新的计算系数；

Kao：原始的计算系数；

Fc：到达稳态前的震荡次数。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，比如上述智能处理芯片选用STM32系列其它相关型号的芯片，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可控硅水机速热方法，其特征在于：该方法所涉及的硬件结构包括环境温度传感器(1)、高温温度传感器(2)、流量计(3)、PWM可变流量供水泵(4)、PWM可控硅速热模组(5)、电控模块(6)、通水管路(7)，所述通水管路(7)的进水端与水箱(8)接通，所述电控模块(6)包含智能处理芯片、Flash存储器、滤波电路、PWM输出电路、温度设置界面以及用于启停热水提供的开关，所述智能处理芯片选用STM32系列芯片,所述环境温度传感器(1)、PWM可变流量供水泵(4)、流量计(3)、PWM可控硅速热模组(5)、高温温度传感器(2)按照水流方向依次设置在通水管路(7)上，所述环境温度传感器(1)、高温温度传感器(2)、流量计(3)、PWM可变流量供水泵(4)、PWM可控硅速热模组(5)均与电控模块(6)连接；

该方法包含如下步骤：

(a)用户设置目标温度，并打开电控模块(6)的开关，环境温度传感器(1)获取当前环境温度并反馈给电控模块(6)；

(b)上述电控模块(6)的智能处理芯片在接收到放热水指令后，依靠以往历次加热的工作过程中得到温升曲线、初始环境温度、最近一次的PID调节整定参数，首先与现有的初始环境温度进行比较，如果当前温度低于以往的温度，则增大PWM可控硅速热模组(5)的预热时间并提高PWM占空比，反之减少PWM可控硅速热模组(5)的预热时间；

(c)预热完成后，启动PWM可变流量供水泵(4)开始供水，同时进行PID项的积分分离，在第一次到达设定温度之前根据温升斜率调节速热PWM输出占空比和出水泵PWM占空比，直到维持可控的温升斜率；

(d)在到第一次达设定温度时，加入积分项，取消分离比例项，同时根据以往历史记录减少速热PWM输出；

(e)在第一次到达稳态以后，将最近一次的温升曲线作为调节的初始数据，并根据环境温度的变化和实时热水温度的变化进行增量式PID的动态调节，利用智能处理芯片的内存实时缓存并修正本次正在调节的PID实时数据，实时判断是否出现了温度过冲和大范围的温度波动并进行PID动态调节，如果出现温升过冲，则调节PWM可变流量供水泵(4)和PWM可控硅速热模组(5)的PWM输入，如果没有温升过冲，则根据温度波动周期、范围进行PID参数修正、死区参数修正。

2.根据权利要求1所述的一种可控硅水机速热方法，其特征在于：停止放热水时，PWM可变流量供水泵(4)、PWM可控硅速热模组(5)停止工作，并根据本次速热放水的温升曲线的特点，计算并生成加入本次经历的系数和PID调节系数，并将其与本次速热工作的初始信息更新进入Flash存储器中作为下一次工作的初始参数。

3.根据权利要求1所述的一种可控硅水机速热方法，其特征在于：在上述(e)步骤中，当实际温度变化超过2℃时，还将增加水泵的PWM占空比调节。

4.根据权利要求1所述的一种可控硅水机速热方法，其特征在于：在上述(e)步骤中，当温度震荡范围超过5℃时，还将启动PID参数的实时修正算法对参数进行修正。