CN111491408B - 一种蒸烤箱的恒温控制方法 - Google Patents

一种蒸烤箱的恒温控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种蒸烤箱的恒温控制方法，包括获取蒸烤箱的腔体实际温度，计算腔体目标温度与腔体实际温度的第一差值，若第一差值的大于第一阈值，则加热管以全功率模式进行加热；否则根据第一差值对用于控制腔体温度的第一PI系数进行分段调节，确定当前的第一PI系数；根据当前的第一PI系数计算底盘目标温度；获取蒸烤箱的底盘实际温度，计算底盘目标温度与底盘实际温度的第二差值；根据所述第二差值对用于控制底盘温度的第二PI系数进行分段调节，确定当前的第二PI系数；根据当前的第二PI系数计算用于控制加热管加热功率的PWM值；将计算得到的PWM值输出至加热管，实现蒸烤箱的恒温控制。

Description

一种蒸烤箱的恒温控制方法
技术领域
本申请属于厨房电器技术领域，具体涉及一种蒸烤箱的恒温控制方法。
背景技术
近年来，随着人们生活水平的快速提高和厨房一体化的大势所趋，蒸烤箱在普通居民家中越来越普及。蒸烤箱功能丰富，不仅具备蒸烤模式，往往还可以实现发酵、烘焙、解冻、自动清洁等等多种功能，不但便利了烹饪过程，丰富了烹饪体验，更满足了现代人对高品质生活的追求。
常见的蒸烤箱腔体内部结构如图1所示，其底部是一个可盛水的加热盘，加热盘内部通过加热管进行加热，加热盘带有温度探头可获取加热盘温度T2，上部有一个温度探头可采得腔体温度T1。内部侧边的风机可使腔体温度均匀分布，同时上部、侧面还分布有辅助加热管，开启后可用于提升腔体温度。
为了满足蒸烤箱的多种蒸烤等烹饪模式，需要控制蒸烤箱的腔体温度保持恒温，因此蒸烤箱对于温度的精准控制有着较高的要求。目前市面上的控温方案分为两种：一种是根据用户设定的加热时间、目标温度来简单控制加热管的开关；另一种是采用传统的PID控制方法进行控温。但是前者并不能达到精准控温的要求，而后者对于多种蒸烤模式往往需要不同的PID参数，适应性较差。
现有技术如专利申请号为201511001086.0的中国专利，提供一种电烤箱及其控制方法和控制装置。但该技术方案的温度控制策略采用简单的开关控制，并不能达到精准的控温，不适用于蒸烤箱的精准控温需求；方案中的参数第一烘烤温度和第二烘烤温度需要用户输入，而用户通常并不具备参数的设置经验，用户体验感不强。
又如专利申请号为201711270911.6的中国专利，提供一种电烤箱的温控方法及电烤箱。该技术方案主要考虑了环境温度对炉心温度的影响，采用温度补偿机制后能利用更精准的炉心温度来进行PID计算，但本质的温度控制算法还是传统的PID控制算法，在多个蒸烤模式下仍需要多组PID参数，算法的适应性较差。
发明内容
本申请的目的在于提供一种蒸烤箱的恒温控制方法，能平稳地控制腔体温度和底盘温度，并且适应性强。
为实现上述目的，本申请所采取的技术方案为：
一种蒸烤箱的恒温控制方法，用于通过控制蒸烤箱中加热管的加热功率实现蒸烤箱的温度控制，所述蒸烤箱的恒温控制方法包括：
S1、前馈阶段：
获取蒸烤箱的腔体实际温度，计算腔体目标温度与腔体实际温度的第一差值，若第一差值大于第一阈值，则加热管以全功率模式进行加热；否则进入双层PID控制阶段；
S2、双层PID控制阶段：
S2.1、根据所述第一差值对用于控制腔体温度的第一PI系数进行分段调节，确定当前的第一PI系数；
S2.2、根据当前的第一PI系数计算底盘目标温度；
S2.3、获取蒸烤箱的底盘实际温度，计算底盘目标温度与底盘实际温度的第二差值；
S2.4、根据所述第二差值对用于控制底盘温度的第二PI系数进行分段调节，确定当前的第二PI系数；
S2.5、根据当前的第二PI系数计算用于控制加热管加热功率的PWM值；
S2.6、将计算得到的PWM值输出至加热管，实现蒸烤箱的恒温控制。
作为优选，所述步骤S2.1中根据第一差值对用于控制腔体温度的第一PI系数进行分段调节，确定当前的第一PI系数，包括：
所述用于控制腔体温度的第一PI系数包括P系数KPbox和I系数KIbox；
取第一差值的绝对值；
根据第一差值的绝对值对第一PI系数进行分段调节如下：
若第一差值的绝对值大于a且小于等于b，则取KPbox＝P(1)，KIbox＝I(1)；
若第一差值的绝对值大于b且小于等于c，则取KPbox＝P(1)，KIbox＝I(2)；
若第一差值的绝对值大于c且小于等于d，则取KPbox＝P(1)，KIbox＝I(3)；
若第一差值的绝对值大于d，则取KPbOx＝P(1)，KIbox＝I(4)；
其中，a<b<c<d，I(1)>I(2)>I(3)>I(4)。
作为优选，所述步骤S2.2中根据当前的第一PI系数计算底盘目标温度，包括：
底盘目标温度计算公式如下：
Figure BDA0002480487380000032
式中，TbtmSet(k)表示第k次采样控温中计算得到的底盘目标温度，KPbox和KIbox为当前的第一PI系数，Δtbox(k)表示第k次采样控温中的第一差值。
作为优选，所述步骤S2.4中根据第二差值对用于控制底盘温度的第二PI系数进行分段调节，确定当前的第二PI系数，包括：
所述用于控制底盘温度的第二PI系数包括P系数KPbtm和I系数KIbtm；
取第二差值的绝对值；
根据第二差值的绝对值对第二PI系数进行分段调节如下：
若第二差值的绝对值大于f且小于等于g，则取KPbtm＝P(2)，KIbtm＝I(5)；
若第二差值的绝对值大于g且小于等于h，则取KPbtm＝P(2)，KIbtm＝I(6)；
若第二差值的绝对值大于h且小于等于j，则取KPbtm＝P(2)，KIbtm＝I(7)；
若第二差值的绝对值大于j，则取KPbtm＝P(2)，KIbtm＝I(8)；
其中，f<g<h<j，I(5)>I(6)>I(7)>I(8)。
作为优选，所述步骤S2.5中根据当前的第二PI系数计算用于控制加热管加热功率的PWM值，包括：
PWM值计算公式如下：
Figure BDA0002480487380000031
式中，PWM(k)表示第k次采样控温中计算得到的PWM值，KPbtm和KIbtm为当前的第二PI系数，Δtbtm(k)表示第k次采样控温中的第二差值。
作为优选，所述PWM值的取值范围为0～100，其中PWM值为100表示加热管以全功率模式进行加热，PWM值为0表示加热管停止加热。
本申请提供的蒸烤箱的恒温控制方法，具有前馈阶段和双层PID控制阶段，显著加快了控温前期的温度上升速度，同时降低了控温后期温度的波动；并且在双层PID控制阶段对PID参数进行分段调节，从而平稳地控制腔体温度和底盘温度；针对蒸烤箱不同的工作模式采用一组PID参数即可，适应性强。
附图说明
图1为现有技术中的蒸烤箱结构示意图；
图2为本申请的蒸烤箱的恒温控制方法的流程图；
图3为本申请的双层PID控制阶段的流程图；
图4为本申请实施例1中带前馈的双层PID控温算法的实验温度曲线(设定腔体目标温度为40度)；
图5为现有技术中传统PID控温算法的实验温度曲线(设定腔体目标温度为40度)；
图6为本申请实施例1中带前馈的双层PID控温算法的实验温度曲线(设定腔体目标温度为50度)。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
其中一个实施例中，提供一种蒸烤箱的恒温控制方法，用于通过控制蒸烤箱中加热管的加热功率实现蒸烤箱的温度控制，克服现有技术中控温慢、波动大、且适应性差的问题。
如图2所示，本实施例的蒸烤箱的恒温控制方法，包括以下步骤：
S1、前馈阶段：
获取蒸烤箱的腔体实际温度，计算腔体目标温度与腔体实际温度的第一差值，若第一差值的大于第一阈值，则加热管以全功率模式进行加热；否则进入双层PID控制阶段。
在控温前期，即腔体目标温度与腔体实际温度相差较大时，控制加热管以全功率模式进行加热，即以最大功率进行加热使得腔体快速升温，缩短升温时长。需要说明的是，腔体实际温度可以利用设置在蒸烤箱箱体内部的温度探头获取，但是本申请重点在于对蒸烤箱温度的调控，对于如何获取腔体实际温度或者如何设置温度探头不作严格限制。
第一阈值影响了控温阶段的选取，不同的控温阶段具有不同的控温效果，在一实施例中，第一阈值可以是腔体目标温度的10％～20％，控制适宜升温幅度，有利于蒸烤箱实现前期快速升温，后期平稳控温。容易理解的是，在其他实施例中第一阈值可以根据实际需求进行调节，例如需要更快速的升温，则可适当减小第一阈值；相反的若需要平稳控温，则可适当增大第一阈值。
S2、双层PID控制阶段，如图3所示：
S2.1、根据所述第一差值对用于控制腔体温度的第一PI系数进行分段调节，确定当前的第一PI系数。
若在第k次采样控温中，检测得到腔体实际温度为TboxReal(k)，预先设定的腔体目标温度为TboxSet，则计算得到的第一差值Δtbox(k)为：
Δtbox(k)＝TboxSet-TboxReal(k) (1)
根据第一差值Δtbox(k)对第一PI系数进行调节时，可以是差值越大，PI系数越大或越小，但该调节方法过于单一，调节效果不佳，因此在另一实施例中，提供一种调节方法如下：
用于控制腔体温度的第一PI系数包括P系数KPbox和I系数KIbox。
取第一差值的绝对值。
根据第一差值的绝对值对第一PI系数进行分段调节如下：
若第一差值的绝对值大于a且小于等于b，则取KPbox＝P(1)，KIbox＝I(1)。
若第一差值的绝对值大于b且小于等于c，则取KPbox＝P(1)，KIbox＝I(2)。
若第一差值的绝对值大于c且小于等于d，则取KPbox＝P(1)，KIbox＝I(3)。
若第一差值的绝对值大于d，则取KPbox＝P(1)，KIbox＝I(4)。
其中，a<b<c<d，I(1)>I(2)>I(3)>I(4)。
本实施例中将分段调节分为四段进行，每段中P系数KPbox均相同，取P(1)，I系数KIbox取值不同，第一差值的绝对值越小，KIbox的取值越大，以减小超调，实现平稳控温。
需要说明的是，分为四段仅为本实施例提供的一种优选分段方式，即可满足蒸烤箱不同模式的温度调节，又能加快判断速度，提升控温速率。在其他实施例中，分段数量可以进行适当调节，例如分为两段、三段、五段等。
根据上述调节原理，以下提供一种实施效果较好的具体的调节实例：取P(1)＝1.8、I(1)＝50、I(2)＝40、I(3)＝30、I(4)＝20，具体为：
若第一差值的绝对值大于0且小于等于5，则取KPbox＝1.8，KIbox＝50。
若第一差值的绝对值大于5且小于等于10，则取KPbox＝1.8，KIbox＝40。
若第一差值的绝对值大于10且小于等于15，则取KPbox＝1.8，KIbox＝30。
若第一差值的绝对值大于15，则取KPbox＝1.8，KIbox＝20。
S2.2、根据当前的第一PI系数计算底盘目标温度。由于蒸烤箱最终需要控制的是腔体实际温度，因此需要建立腔体温度与底盘温度之间的联系，本实施例利用第一PI系数计算底盘目标温度，将其用于底盘温度的控制，使底盘温度能够保持恒定，从而使腔体维持适宜温度。
在一实施例中底盘目标温度计算公式如下：
Figure BDA0002480487380000061
式中，TbtmSet(k)表示第k次采样控温中计算得到的底盘目标温度，KPbox和KIbox为当前的第一PI系数，Δtbox(k)表示第k次采样控温中的第一差值。
本实施例中的PI系数指PID控制中的比例系数KP和积分系数KI。
S2.3、获取蒸烤箱的底盘实际温度，计算底盘目标温度与底盘实际温度的第二差值。需要说明的是，底盘实际温度可以利用设置在蒸烤箱底盘上的温度探头获取，但是本申请重点在于对蒸烤箱温度的调控，对于如何获取底盘实际温度或者如何设置温度探头不作严格限制。
若在第k次采样控温中，检测得到底盘实际温度为TbtmReal(k)，则计算得到的第二差值Δtbtm(k)为：
Δtbtm(k)＝TbtmSet(k)-TbtmReal(k) (3)
S2.4、根据所述第二差值对用于控制底盘温度的第二PI系数进行分段调节，确定当前的第二PI系数。
根据第二差值Δtbtm(k)对第二PI系数进行调节时，可以是差值越大，PI系数越大或越小，但该调节方法过于单一，调节效果不佳，因此在另一实施例中，提供一种调节方法如下：
所述用于控制底盘温度的第二PI系数包括P系数KPbtm和I系数KIbtm。
取第二差值的绝对值。
根据第二差值的绝对值对第二PI系数进行分段调节如下：
若第二差值的绝对值大于f且小于等于g，则取KPbox＝P(2)，KIbox＝I(5)。
若第二差值的绝对值大于g且小于等于h，则取KPbox＝P(2)，KIbox＝I(6)。
若第二差值的绝对值大于h且小于等于j，则取KPbox＝P(2)，KIbox＝I(7)。
若第二差值的绝对值大于j，则取KPbox＝P(2)，KIbox＝I(8)。
其中，f<g<h<j，I(5)>I(6)>I(7)>I(8)。本实施例由于温度控制最终由加热管实现，因此本实施例将腔体的温度调控融入底盘的温度调控，并且对第一PI系数和第二PI系数均采用分段控制，使得整个控温方案中具有两次调控PI系数的操作，从而有效提高控温的准确性、普适性和灵活性。
与腔体控温同理，分为四段仅为本实施例提供的一种优选分段方式，即可满足蒸烤箱不同模式的温度调节，又能加快判断速度，提升控温速率。在其他实施例中，分段数量可以进行适当调节，例如分为两段、三段、五段等。
根据上述调节原理，以下提供一种实施效果较好的具体的调节实例：取P(2)＝0.6、I(5)＝50、I(6)＝40、I(7)＝30、I(8)＝10，具体为：
若第二差值的绝对值大于0且小于等于5，则取KPbtm＝0.6，KIbtm＝50。
若第二差值的绝对值大于5且小于等于10，则取KPbtm＝0.6，KIbtm＝40。
若第二差值的绝对值大于10且小于等于15，则取KPbtm＝0.6，KIbtm＝30。
若第二差值的绝对值大于15，则取KPbtm＝0.6，KIbtm＝10。
S2.5、根据当前的第二PI系数计算用于控制加热管加热功率的PWM值，包括：
PWM值计算公式如下：
Figure BDA0002480487380000071
式中，PWM(k)表示第k次采样控温中计算得到的PWM值，KPbtm和KIbtm为当前的第二PI系数，Δtbtm(k)表示第k次采样控温中的第二差值。
其中，PWM值的取值范围为0～100，其中PWM值为100表示加热管以全功率模式进行加热，PWM值为0表示加热管停止加热。
S2.6、将计算得到的PWM值输出至加热管，实现蒸烤箱的恒温控制。
本实施例中对第一PI系数和第二PI系数的分段调节由图3中的系数调节器完成，即系数调节器中加载了调节逻辑，并根据输入的误差输出对应的PI系数；并且底盘目标温度和PWM值由图3中的PI调节器完成，即PI调节器中加载了对应的计算逻辑，并根据输入计算对应的值输出。
需要说明的是，图3中示意的系数调节器和PI调节器可以是一个整体的硬件，例如计算机，加载整个恒温控制方法的逻辑并执行；也可以是独立的硬件，例如单片机，各自加载执行部分逻辑并进行交互。
本实施例的恒温控制方法，采用前馈阶段和双层PID控制阶段，显著加快了控温前期的温度上升速度，同时降低了控温后期温度的波动；并且在双层PID控制阶段对PID参数进行分段调节，从而平稳地控制腔体温度和底盘温度；针对蒸烤箱不同的工作模式采用一组PID参数即可，适应性强。
以下通过实验对本申请的恒温控制方法进一步详述。
实施例1
实验对象为型号相同的蒸烤箱，设置一组蒸烤箱采用传统PID控温算法，另一组蒸烤箱采用本申请的恒温控制方法，对控温过程中蒸烤箱的腔体温度和底盘温度进行检测记录。
实验结果如图4、5、6所示，其中图4为本申请带前馈的双层PID控温算法(即本申请提供的蒸烤箱的恒温控制方法)的实验温度曲线(设定腔体目标温度为40度)。实线代表腔体温度，划线-点虚线代表底盘温度，圆点虚线代表底盘加热功率。
图5为现有技术中传统PID控温算法的实验温度曲线(设定腔体目标温度为40度)。实线代表腔体温度，划线-点虚线代表底盘温度，圆点虚线代表底盘加热功率。
图6为本申请带前馈的双层PID控温算法的实验温度曲线(设定腔体目标温度为50度)。实线代表腔体温度，划线-点虚线代表底盘温度，圆点虚线代表底盘加热功率。
对比图4和图5，图4所示的带前馈的双层PID控温算法可以同时控制腔体温度和底盘温度保持稳定；而图5所示的传统PID控温算法虽然能较好地控制腔体温度，但底盘温度却一直处于长时间的震荡状态，稳定性差。
对比图4和图6，本申请带前馈的双层PID控温算法可适用于不同的蒸烤模式(即不同的腔体目标温度)，且不同模式下对腔体温度和底盘温度的控制都比较稳定。由此可见，本申请的恒温控制方法只需设置一组可自适应调节的PID参数即可适用于不同的蒸烤模式，算法的适应性较强，并且通过设置合适的参数即可使用户具有较好的使用体验。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种蒸烤箱的恒温控制方法，用于通过控制蒸烤箱中加热管的加热功率实现蒸烤箱的温度控制，其特征在于，所述蒸烤箱的恒温控制方法包括：
S1、前馈阶段：
获取蒸烤箱的腔体实际温度，计算腔体目标温度与腔体实际温度的第一差值，若第一差值大于第一阈值，则加热管以全功率模式进行加热；否则进入双层PID控制阶段；
S2、双层PID控制阶段：
S2.1、根据所述第一差值对用于控制腔体温度的第一PI系数进行分段调节，确定当前的第一PI系数；
S2.2、根据当前的第一PI系数计算底盘目标温度；
S2.3、获取蒸烤箱的底盘实际温度，计算底盘目标温度与底盘实际温度的第二差值；
S2.4、根据所述第二差值对用于控制底盘温度的第二PI系数进行分段调节，确定当前的第二PI系数；
S2.5、根据当前的第二PI系数计算用于控制加热管加热功率的PWM值；
S2.6、将计算得到的PWM值输出至加热管，实现蒸烤箱的恒温控制。
2.如权利要求1所述的蒸烤箱的恒温控制方法，其特征在于，所述步骤S2.1中根据第一差值对用于控制腔体温度的第一PI系数进行分段调节，确定当前的第一PI系数，包括：
所述用于控制腔体温度的第一PI系数包括P系数KPbox和I系数KIbox；
取第一差值的绝对值；
根据第一差值的绝对值对第一PI系数进行分段调节如下：
若第一差值的绝对值大于a且小于等于b，则取KPbox＝P(1)，KIbox＝I(1)；
若第一差值的绝对值大于b且小于等于c，则取KPbox＝P(1)，KIbox＝I(2)；
若第一差值的绝对值大于c且小于等于d，则取KPbox＝P(1)，KIbox＝I(3)；
若第一差值的绝对值大于d，则取KPbox＝P(1)，KIbox＝I(4)；
其中，a＜b＜c＜d，I(1)＞I(2)＞I(3)＞I(4)。
3.如权利要求1所述的蒸烤箱的恒温控制方法，其特征在于，所述步骤S2.2中根据当前的第一PI系数计算底盘目标温度，包括：
底盘目标温度计算公式如下：
Figure FDA0002480487370000021
式中，TbtmSet(k)表示第k次采样控温中计算得到的底盘目标温度，KPbox和KIbox为当前的第一PI系数，Δtbox(k)表示第k次采样控温中的第一差值。
4.如权利要求1所述的蒸烤箱的恒温控制方法，其特征在于，所述步骤S2.4中根据第二差值对用于控制底盘温度的第二PI系数进行分段调节，确定当前的第二PI系数，包括：
所述用于控制底盘温度的第二PI系数包括P系数KPbtm和I系数KIbtm；
取第二差值的绝对值；
根据第二差值的绝对值对第二PI系数进行分段调节如下：
若第二差值的绝对值大于f且小于等于g，则取KPbtm＝P(2)，KIbtm＝I(5)；
若第二差值的绝对值大于g且小于等于h，则取KPbtm＝P(2)，KIbtm＝I(6)；
若第二差值的绝对值大于h且小于等于j，则取KPbtm＝P(2)，KIbtm＝I(7)；
若第二差值的绝对值大于j，则取KPbtm＝P(2)，KIbtm＝I(8)；
其中，f＜g＜h＜j，I(5)＞I(6)＞I(7)＞I(8)。
5.如权利要求1所述的蒸烤箱的恒温控制方法，其特征在于，所述步骤S2.5中根据当前的第二PI系数计算用于控制加热管加热功率的PWM值，包括：
PWM值计算公式如下：
Figure FDA0002480487370000022
式中，PWM(k)表示第k次采样控温中计算得到的PWM值，KPbtm和KIbtm为当前的第二PI系数，Δtbtm(k)表示第k次采样控温中的第二差值。
6.如权利要求5所述的蒸烤箱的恒温控制方法，其特征在于，所述PWM值的取值范围为0～100，其中PWM值为100表示加热管以全功率模式进行加热，PWM值为0表示加热管停止加热。
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