CN110618714B - 一种快速加热控制方法、装置及即热式加热设备 - Google Patents
一种快速加热控制方法、装置及即热式加热设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种快速加热控制方法、装置及即热式加热设备。其中，该方法包括：获取被加热对象的实际温度T1，确定当前周期t内的温度误差e(t)=T1‑T0，T0表示设定温度；根据温度误差e(t)从预设数据库中确定预设控制规则在周期t+1内的控制参数；利用得到的控制参数计算得到预设控制规则在周期t+1内的控制量，根据控制量来改变可控硅在周期t+1内的导通时间以调节电热元件的加热功率。本发明兼顾了加热速度与控制精度，能够实现快速加热且让加热得到的实际温度T1很快收敛于设定温度T0进行波动，扰动较小，温度控制精度较高，尤其适合应用于婴儿冲奶粉和咖啡等需要热水温度波动比较少的场景当中。
Description
技术领域
本发明涉及电加热技术领域，尤其是涉及一种快速加热控制方法及即热式加热设备。
背景技术
对于即热式热水器、即热式电热水壶等即热式家用电器而言，必须具备快速出热水且热水温度尽量精确以满足实际应用场景的使用需要。现有技术的即热式家用电器往往是通过电子控制板设置一个继电器或者可控硅(晶闸管)来控制电热元件(一般为电热丝、电热管或电热膜)的发热。其中，采用继电器控制方式相对比较落后，这是由于继电器不能进行频繁开关，导致继电器无法及时、快速响应进行开关切换来调节电热元件的加热功率，从而最终热水的水温波动大且热水温度与设定水温之间存在较大的误差。所以，现有即热式家用电器中一般多采用可控硅控制电热元件的控制方式。
基于可控硅控制加热方案中，一般会采用PI控制方式。即热式家用电器的厂家在确定PI调节器中的参数中的Kp和Ki时，往往时以一个固定温度(比如，南方多以25℃)为基础，在改变Kp和Ki测试值时检测出水水温，从而最终确定出Kp和Ki的参数最优值，故即热式家用电器流通至用户使用过程中，PI调节器中由厂家预设了Kp和Ki的参数固定值。这种将PI调节器中Kp和Ki参数进行预设固定的控制方案之中：虽然通过采用较大值的Kp参数能够起到迅速加热的目的，但由于负载加热功率的大小和温度传感器采样水温存在延迟，往往会导致出水温度最终会在某一个区间波动无法收敛到一定的限值，从而在达到快速加热控制时导致出水温度误差较大，即现有技术只能在迅速加热和精准控温中找到一个平衡点或折中方案，并不能实现即热式迅速加热的同时还能够达到精确控温，导致用户使用过程中出现要么出热水速度较慢、要么流出热水与设定水温之间温度误差较大的现象。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种快速加热控制方法及装置，兼顾了即热速度和精确温控，在快速加热的同时能够实现精确的加热温度。
本发明还提出一种实施了快速加热控制方法的即热式加热设备，对水加热时能够快速响应以即热式方式流出与设定水温误差非常小的热水。
本发明提出一种快速加热控制方法，其包括：
步骤S1、获取被电热元件加热的被加热对象的实际温度T1，确定当前周期t内的温度误差e(t)=T1-T0，T0表示设定温度；
步骤S2、根据温度误差e(t)从预设数据库中确定预设控制规则在周期t+1内的控制参数，其中，预设数据库内包括采用不同的预设控制规则时温度误差e(t)处于不同误差区间E所分别对应的控制参数；
步骤S3、利用得到的控制参数计算得到预设控制规则在周期t+1内的控制量，根据控制量来改变可控硅在周期t+1内的导通时间以调节电热元件的加热功率。
在一个优选实施例中，步骤S2具体包括：
步骤S1、确定周期t内的温度误差e(t) 对应于预设数据库的误差区间E(t)；
步骤S25、选择E(t)在预设数据库中对应的控制参数作为预设控制规则在下一个周期t+1内的控制参数。
在一个优选实施例中，预设数据库内还包括预设控制规则分别在不同误差区间E分别所预设的滞环区间，且步骤S25之前还包括：
步骤S22、判断误差区间E(t)是否与择E(t-1)相同，若相同，则转入步骤S24，若不同则转入步骤S23，其中，E(t-1)表示上一个周期t-1内的温度误差e(t-1)在预设数据库内所对应的误差区间；
步骤S23、进一步判断周期t内的温度误差e(t)是否处于E(t-1)的滞环区间，若是，转入步骤S24，否则转入步骤S25。
步骤S24、继续选择E(t-1)在预设数据库中所对应的控制参数作为下一个周期t+1内的控制参数。
在一个优选实施例中，步骤S1中获取被电热元件加热的被加热对象的实际温度T1具体包括：
获得温度传感器在当前周期t的检测结果，将检测结果进行模拟-数字转换，得到检测值；
对检测值使用插值法确定实际温度T1。
在一个优选实施例中，插值法为在对应1℃的检测值之中等间距插入N个值，使得到的实际温度T1具有1/N℃的精度，N为大于1的自然数。
在一个优选实施例中，预设控制规则包括PI控制、PD控制或PID控制。
在一个优选实施例中，预设控制规为PI控制，控制参数包括比例调节参数Kp和积分调节参数Ki。
相应的，本发明公开一种快速加热控制装置，其包括数据库、温差确定单元、参数确定单元、控制调节单元和控制执行单元；数据库内包括采用不同的预设控制规则时温度误差e(t)处于不同误差区间E所分别对应的控制参数；温差确定单元用于通过温度传感器获得被加热对象的实际温度T1，确定当前周期t内的温度误差e(t)=T1-T0；参数确定单元用于根据温度误差e(t)从预设数据库中确定预设控制规则在周期t+1内的控制参数；控制调节单元用于利用得到的控制参数计算得到预设控制规则在周期t+1内的控制量；控制执行单元用于根据控制量发出对应的控制信号以调节可控硅在周期t+1内的导通时间以调节电热元件R1加热功率。
相应的，本发明还公开一种即热式加热设备，包括：通过可控硅SCR与电源相连的电热元件，用于检测加热对象的实际温度的温度传感器，通过触发电路与可控硅的控制极电性相连的控制器，其中，控制器采用了上述快速加热控制方法以调节电热元件的加热功率。
在一个优选实施例中，控制器为单片机，单片机的一个AD端口与温度传感器电性相连，单片机的一个控制端口与通过触发电路与可控硅的控制极电性相连。
本发明整个控制过程简单，根据不同周期内根据温度误差所在不同数值区间时，从预设数据库内动态选择对应控制参数的预设数值，而这些预设数值乃根据经验或经验结合试验所预先得出的控制参数的最优值，使控制参数选择最优值时不仅能够实现快速加热还能够具有高精度的加热温度。因此，本发明兼顾了加热速度与控制精度，能够实现快速加热且让加热得到的实际温度T1很快收敛于设定温度T0进行波动，扰动较小，温度控制精度较高，尤其适合应用于婴儿冲奶粉和咖啡等需要热水温度波动比较少的场景当中。
附图说明
图1是即热式加热设备的原理框图。
图2是一个实施例中快速加热控制方法的流程示意图。
图3是快速加热控制装置的原理框图。
图4-图6分别是在设定水温为43℃、60℃和92℃时的温度变化示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本申请为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
如图1所示，采用可控硅控制的即热式加热设备的典型结构包括：通过可控硅SCR与电源相连的电热元件R1；用于检测加热对象的输出温度的温度传感器；用于按预设控制规则通过触发电路与可控硅SCR的控制极电性相连的控制器，由控制器根据预设控制规则产生控制信号改变触发电路发送至可控硅SCR的控制极的触发信号，从而改变可控硅SCR在单位时间内的导通时间达到调节电热元件R1加热功率。
其中，预设控制规则一般包括PI控制、PD控制或PID控制。PI控制、PD控制或PID控制各有自己的优点，在实际中往往是根据即热式加热设备所需达到的性能来选择使用PI控制、PD控制或PID控制。
本发明中即热式加热设备优选采用由控制器实现PI控制，PI控制具有兼顾调节快速性和减小或消除静差的特点，因此更适合本发明的即热式加热设备实现快速加热的同时达到精确的加热温度。其中，控制器一般采用单片机实现，因此，温度传感器与单片机的其中一个AD端口电性相连，单片机就能够获得温度传感器的检测结果。另外，有关触发电路的具体结构及如何利用单片机实现PI控制，均是本领域技术人员的公知常识，本申请不展开进行详细描述。
结合图2所示，在即热式加热设备中实现快速加热控制方法包括如下实现步骤：
步骤S1、通过温度传感器获取被电热元件R1加热的被加热对象的实际温度T1，确定当前周期t内的温度误差e(t)=T1-T0，其中T0为厂家或用户按需提前预设的被加热对象被加热的理想温度，即T0表示设定温度。
其中，t=1,2,…,n，n为大于2的自然数。且周期0表示即热式加热设备启动时刻。
比如，即热式加热设备的一个典型应用为即热式电水壶，每次使用之前，用户会选择或设定所需的热水温度，比如需要获得90℃的热水，那此时T0=90℃；而温度传感器则设在即热式电水壶的出水口处尤佳，能够实时检测当前周期t内出水口流出热水的实际温度T1。
另外，本发明的即热式加热设备的性能之一是需要尽量获得精准温度，为了提高温度的精度，在步骤S1中确定被电热元件R1加热的被加热对象的实际温度T1的步骤具体包括：
首先，控制器的一个AD端口获得温度传感器在当前周期t的检测结果，将检测结果进行模拟-数字转换，得到检测值。
其次，对检测值使用插值法确定实际温度T1。比如，温度传感器使用某一个型号的NTC传感器，此NTC传感器的精度是1℃；假设控制器得到的检测值为400代表30℃，而410代表31℃，那么，在400-410之间使用插值法插入10个值，这10个值就分别对应于0.1℃，使经过插值处理后的检测值分别对应于一个精度更小的实际温度，例如，此时检测值403表示30.3℃、检测值408表示30.8℃，于此类推。这样，虽然温度传感器的检测精度是1℃，但通过采用10等分的插值法就能够使实际温度T1的精度变成0.1℃。以上是以插入10个值举例，实际上就是对应1℃的检测值之中等间距插入N个值，使得到的实际温度T1具有1/N℃的精度，N为大于1的自然数。
步骤S1中确定获得精度更小的实际温度T1，能够获得对应精度的温度误差e(t)，从而温度误差e(t)更为准确，为控制器根据预设控制规则利用温度误差e(t)控制可控硅SCR提供了实现前提条件。
步骤S2、由控制器根据温度误差e(t)从预设数据库中确定预设控制规则在周期t+1内的控制参数。
步骤S3、由控制单位利用得到的控制参数计算得到预设控制规则在周期t+1内的控制量，由控制器根据控制量通过触发电路改变可控硅SCR在周期t+1内的导通时间达到调节电热元件R1加热功率，进而达到调节周期t+1内的实际温度T1。
在周期t+1内，转入步骤S1，每个周期均于此重复步骤S1-步骤S3，最终使实际温度T1快速收敛靠近设定温度T0。
其中，预设数据库内包括不同的预设控制规则下温度误差e(t)分别处于不同误差区间E时所对应的控制参数，这些控制参数乃预设值，是根据经验值或经验值与实验值相结合进行确定的。
继续以PI控制为例。PI控制的控制参数包括比例调节参数Kp和积分调节参数Ki。其中，Kp的比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的Kp，使系统的稳定性下降引发较大实际温度T1相对设定温度T0之间发生振幅过大的振荡。Ki用于消除稳态误差，提高无差度，从而使实际温度T1收敛于设定温度T0保持一个极小的收敛值，从而提高控制精度。
预设数据库内包括一个PI控制下对应控制参数预设值的数组Kp_Ki_Tab[Kp,Ki,E]，其中E表示温度误差e(t)所在的数值区间。例如，一个具体实施例中，即热式加热设备为即热式热水壶，其所使用环境下最低水温是10℃，则理论上误差e(t)介于0-90之间，即E为0-90。假定将理论误差区间90按经验或经验与试验相结合划分出50个不同的温度区间，其中，相邻温度区间是连续的但每个温度区间不一定时等分划分的。又假如，其中，E处于0-10内时划分了8个温度区间，则Kp_Ki_Tab[Kp,Ki,E]对应于误差e(t)介于0-10时这8个不同误差区间E分别预设了Kp和Ki的具体数字，这部分如下：
Kp_Ki_Tab[Kp,Ki,E]={
1,0.8，//小于1.0
2,0.9，//介于1.0-2.0
3,0.1，//介于2.0-3.0
4,0.11，//介于3.0-4.0
5,0.12，//介于4.0-5.5
6,0.13，//介于5.6-7.8
8,0.15，//介于7.9-10
}
其中，介于1.0-2.0表示大于或等于1.0且小于2.0，于此类推。
例如，在当前周期t内，若误差e(t)=3.2则确定Kp=4且Ki=0.11，将Kp=4且Ki=0.11作为周期t+1内确定可控硅SCR的控制量的依据。若在周期t+1内误差e(t)=0.8，则确定Kp=1且Ki=0.8，将Kp=1且Ki=0.8作为t+2周期内确定可控硅SCR的控制量的依据。于此类推。
因此，即热式加热设备在运行过程中，不同周期内根据温度误差所在不同数值区间时，从预设数据库内动态选择Kp和Ki的具体数值，Kp和Ki的这些预设数值乃根据经验或经验结合试验所预先得出的控制参数的最优值，使控制参数选择最优值时不仅能够实现快速加热还能够具有高精度的加热温度。
另外，实际上利用控制器对可控硅SCR进行调节控制时，每个周期或控制周期的时间非常短(比如一个周期t是0.5秒)。为了避免从周期t切换至下一个周期t1过程中因为选择不同的控制参数不同，导致实际温度T1在本身已经收敛于设定温度T0且处于一个非常小收敛值的基础上突然产生较大的波动，反而不利于控制。
因此，本发明中，预设数据库内还包括不同误差区间E分别所预设的滞环区间。滞环区间的具体大小根据经验值或经验值与试验值相结合所确定。进一步结合图2所示，具体来说，在步骤S2中由控制器根据温度误差e(t)从预设数据库中确定预设控制规则在周期t+1内的控制参数的步骤具体包括：
步骤S21、确定周期t内的温度误差e(t) 对应于预设数据库的误差区间E(t)。
步骤S22、判断误差区间E(t)是否与择E(t-1)相同，若相同，则转入步骤S24，若不同则转入步骤S23。
步骤S23、进一步判断周期t内的温度误差e(t)是否处于E(t-1)的滞环区间，若是，转入步骤S24，否则转入步骤S25。
步骤S24、继续选择E(t-1)在预设数据库中所对应的控制参数作为下一个周期t+1内的控制参数。
步骤S25、根据误差e(t)在预设数据库内所对应的误差区间E(t)，选择E(t)在预设数据库中对应的控制参数作为预设控制规则在下一个周期t+1内的控制参数。
其中，E(t-1)表示上一个周期t-1内的温度误差e(t-1)在预设数据库内所对应的误差区间，E(t)表示当前周期t的温度误差e(t)在预设数据库的误差区间。
仍然以上述给出了对应于误差e(t)介于0-10时这8个不同误差区间E分别预设了Kp和Ki的具体数字的数组Kp_Ki_Tab[Kp,Ki,E] 为例。进一步假设：误差区间E介于3.0-4.0时的滞环区间是0.2，假设在上一个周期t-1内的温度误差e(t-1)=3.2，则落入误差区间E介于3.0-4.0，由此对应了当前周期t内进行PI控制的控制参数Kp=4且Ki=0.11。若当前周期t内误差e(t)=4.1，故E(t)不同于E(t-1)，需要进一步判断误差e(t)是否落入误差e(t-1)所属误差区间E介于3-4的滞环区间内，由于预设了误差区间E介于3.0-4.0时的滞环区间是0.2，因此，在周期t内误差e(t)介于2.8-3.0或是介于4.0-4.2时均属于处于误差区间3.0-4.0的滞环区间，此时，仍然以误差区间介于3.0-4.0时所控制参数Kp=4且Ki=0.11作为下一个周期t+1内进行PI控制的控制参数。进一步举例，若当前周期t内误差e(t)=4.3则落入数组Kp_Ki_Tab[Kp,Ki,E]中误差区间E介于4.0-5.5，对应确定Kp=5且Ki=0.12作为下一个周期t+1内进行PI控制的控制参数。于此类推，从而为每个周期内依据预设数据库确定预设控制规则的控制参数提供了唯一的确定依据。
以采用上述方法的即热式电水壶为例，分别在图4-图6给出了将27℃分别加热至设定温度T0为43℃、60℃和92℃时实际流出热水的实际温度T1随时间的变化示意图，图中纵坐标表示温度(单位℃)，横坐标表示时间(单位：秒)，图中横实线表示设定温度T0，图中曲实线表示实际温度T1。从而图4-图6可以看出，开启即热式电水壶后，能够在极短的时间内快速达到设定温度T0后，实际温度T1收敛于设定温度T0围绕设定温度T0在极小的收敛区间内波动，实际温度T1并不会产生较大的扰动。
由此可见，本发明兼顾了加热速度与控制精度，能够实现快速加热且让加热得到的实际温度T1很快收敛于设定温度T0进行波动，扰动较小，温度控制精度较高。
结合图3所示，对应的，本发明还公开一种快速加热控制装置，包括数据库、温差确定单元、参数确定单元、控制调节单元和控制执行单元。数据库内包括不同的预设控制规则下温度误差e(t)分别处于不同误差区间E时所对应的控制参数；温差确定单元用于通过温度传感器获得被电热元件R1加热的被加热对象的实际温度T1，确定当前周期t内的温度误差e(t)=T1-T0；参数确定单元用于根据温度误差e(t)从预设数据库中确定预设控制规则在周期t+1内的控制参数；控制调节单元用于利用得到的控制参数计算得到预设控制规则在周期t+1内的控制量；控制执行单元用于根据控制量发出对应的控制信号以调节可控硅SCR在周期t+1内的导通时间来调节电热元件R1加热功率，进而达到改变周期t+1内的实际温度T1。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种快速加热控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1、获取被电热元件加热的被加热对象的实际温度T1，确定当前周期t内的温度误差e(t)=T1-T0，T0表示设定温度；
步骤S2、根据温度误差e(t)从预设数据库中确定预设控制规则在周期t+1内的控制参数，其中，预设数据库内包括采用不同的预设控制规则时温度误差e(t)处于不同误差区间E所分别对应的控制参数；
步骤S3、利用得到的控制参数计算得到预设控制规则在周期t+1内的控制量，根据控制量来改变可控硅在周期t+1内的导通时间以调节电热元件的加热功率；
其中，步骤S2具体包括步骤S21至步骤S25：步骤S21、确定周期t内的温度误差e(t) 对应于预设数据库的误差区间E(t)；步骤S22、判断误差区间E(t)是否与择E(t-1)相同，若相同，则转入步骤S24，若不同则转入步骤S23，其中，E(t-1)表示上一个周期t-1内的温度误差e(t-1)在预设数据库内所对应的误差区间；步骤S23、进一步判断周期t内的温度误差e(t)是否处于E(t-1)的滞环区间，若是，转入步骤S24，否则转入步骤S25；步骤S24、继续选择E(t-1)在预设数据库中所对应的控制参数作为下一个周期t+1内的控制参数；步骤S25、选择E(t)在预设数据库中对应的控制参数作为预设控制规则在下一个周期t+1内的控制参数。
2.根据权利要求1所述快速加热控制方法，其特征在于，步骤S1中获取被电热元件加热的被加热对象的实际温度T1具体包括：
获得温度传感器在当前周期t的检测结果，将检测结果进行模拟-数字转换，得到检测值；
对检测值使用插值法确定实际温度T1。
3.根据权利要求1所述快速加热控制方法，其特征在于，插值法为在对应1℃的检测值之中等间距插入N个值，使得到的实际温度T1具有1/N℃的精度，N为大于1的自然数。
4.根据权利要求1所述快速加热控制方法，其特征在于，预设控制规则包括PI控制、PD控制或PID控制。
5.根据权利要求1所述快速加热控制方法，其特征在于，预设控制规为PI控制，控制参数包括比例调节参数Kp和积分调节参数Ki。
6.一种快速加热控制装置，其特征在于，包括数据库、温差确定单元、参数确定单元、控制调节单元和控制执行单元；数据库内包括采用不同的预设控制规则时温度误差e(t)处于不同误差区间E所分别对应的控制参数；温差确定单元用于通过温度传感器获得被加热对象的实际温度T1，确定当前周期t内的温度误差e(t)=T1-T0；参数确定单元用于根据温度误差e(t)从预设数据库中确定预设控制规则在周期t+1内的控制参数；控制调节单元用于利用得到的控制参数计算得到预设控制规则在周期t+1内的控制量；控制执行单元用于根据控制量发出对应的控制信号以调节可控硅在周期t+1内的导通时间以调节电热元件R1加热功率；
其中，参数确定单元通过步骤S21至步骤S25来确定控制参数：步骤S21、确定周期t内的温度误差e(t) 对应于预设数据库的误差区间E(t)；步骤S22、判断误差区间E(t)是否与择E(t-1)相同，若相同，则转入步骤S24，若不同则转入步骤S23，其中，E(t-1)表示上一个周期t-1内的温度误差e(t-1)在预设数据库内所对应的误差区间；步骤S23、进一步判断周期t内的温度误差e(t)是否处于E(t-1)的滞环区间，若是，转入步骤S24，否则转入步骤S25；步骤S24、继续选择E(t-1)在预设数据库中所对应的控制参数作为下一个周期t+1内的控制参数；步骤S25、选择E(t)在预设数据库中对应的控制参数作为预设控制规则在下一个周期t+1内的控制参数。
7.一种即热式加热设备，包括：通过可控硅SCR与电源相连的电热元件，用于检测加热对象的实际温度的温度传感器，通过触发电路与可控硅的控制极电性相连的控制器，其特征在于，控制器采用了如权利要求1-5任何一项所述快速加热控制方法以调节电热元件的加热功率。
8.根据权利要求7所述即热式加热设备，其特征在于，控制器为单片机，单片机的一个AD端口与温度传感器电性相连，单片机的一个控制端口与通过触发电路与可控硅的控制极电性相连。
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