CN112486015A - 一种新型咖啡机温度抗干扰控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型咖啡机温度抗干扰控制方法，包括以下步骤：步骤一、考虑咖啡机温度控制系统惯性系数、咖啡机温度控制系统增益、咖啡机温度控制系统的延迟时间，建立全自动咖啡机的温度控制系统频域模型和时域模型；步骤二、根据拟控制输入、不考虑延迟的功率­—温度传递函数、咖啡机温度控制系统的延迟时间，得到延迟影响抑制量；步骤三、根据拟控制输入、不考虑延迟的功率­—温度传递函数、咖啡机温度控制系统的延迟时间、延迟通道滤波器，得到流量影响估算量。本发明的方法和传统方法相比，具有形式简单容易实现，抗延迟控制性能更好和抗干扰控制性能更好的优点。

Description

一种新型咖啡机温度抗干扰控制方法

技术领域

本发明属于工业控制产品领域，涉及一种咖啡机的高精度温度控制方法，具体涉及一种新型咖啡机温度抗干扰控制方法，该方法是基于流量影响估算和延迟影响抑制的咖啡机温度控制方法。

背景技术

目前中国制造的咖啡机产量虽然是世界第一，然而大部分都是较为低端的蒸馏渗滤式或者滴漏式咖啡机，带有实时温度控制的全自动咖啡机则几乎由国外产品垄断。温度控制的精度越高，制作出来的咖啡其口感就越好，带有高精度温度控制的国产全自动咖啡机亟待研究和发展。

全自动咖啡机的高精度温度控制有两大难点，第一是全自动咖啡机的温度控制其本身是一个大延迟的控制系统，该延迟的存在会导致温度控制的调节时间过程、精度大大降低，甚至导致温度控制的失败；第二是全自动咖啡机的温度控制受到水流量的干扰很大，干扰的存在会直接导致温度控制的精度大大降低。全自动咖啡机的现有温度控制一般是基于比例积分微分(PID)算法的，直接使用PID算法进行温度控制对大延迟和干扰的抑制能力很弱，一般只能通过增大比例系数和积分系数小幅提升抑制延迟和干扰的控制性能。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种新型咖啡机温度抗干扰控制方法，该方法是基于流量影响估算和延迟影响抑制的咖啡机温度控制方法。该方法在现有比例积分微分算法的技术框架上，去掉了对流量影响抑制能力较弱的积分因子，通过设计流量影响估算算法，依据全自动咖啡机的温度控制模型估算出温度控制过程中受到的流量干扰，并且在控制输入通道予以补偿来抑制流量干扰的影响；另外，本发明还通过设计延迟影响抑制算法，依据全自动咖啡机的温度控制模型在控制输入通道设计算法来抑制大延迟对温度控制的不良影响；本发明将所设计的流量影响估算算法和延迟影响抑制算法结合在现有的比例积分微分算法上，大大提升了现有全自动咖啡机产品的温度控制精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种新型咖啡机温度抗干扰控制方法，包括以下步骤：

步骤一：考虑咖啡机温度控制惯性系数、咖啡机温度控制系统增益、咖啡机温度控制系统的延迟时间，建立全自动咖啡机的温度控制系统频域模型和时域模型；

步骤二：根据拟控制输入、不考虑延迟的功率—温度传递函数和咖啡机温度控制系统的延迟时间，得到延迟影响抑制量；

步骤三：根据拟控制输入、不考虑延迟的功率-温度传递函数、咖啡机温度控制系统的延迟时间、延迟通道滤波器，得到流量影响估算量。

进一步的，所述步骤一的温度控制系统频域模型具体表示为：

T(s)＝G(s)e^-τs[P(s)+Q(s)]

式中，e表示自然底数；τ表示咖啡机温度控制系统的延迟时间；s表示拉普拉斯复数算子；

T(s)为咖啡机温度输出频域量；Q(s)为咖啡机温度控制系统受到来自水流量的频域干扰量；

G(s)表示不考虑延迟的功率-温度传递函数，具体为：

式中，N表示咖啡机温度控制系统增益，D表示咖啡机温度控制系统惯性系数。

因此，所建立的咖啡机温度控制系统频域模型还能够写为：

相对应的，所建立的咖啡机温度控制系统时域模型为：

式中，T(k)为咖啡机的温度输出第k步时域量，T(k-1)为咖啡机的温度输出第k-1步时域量，τ_k为咖啡机温度控制系统的延迟步长，T_c为采样周期，P(k-τ_k)为咖啡机的加热功率的第k-τ_k步时域量，Q(k-τ_k)具体为：咖啡机温度控制系统受到来自水流量的干扰第k-τ_k步时域量。

其中，τ_k具体为：咖啡机温度控制系统的延迟时间τ与采样周期T_c之商的取整(用数学里的向下取整或者向上取整都可以)，由下式表示：

式中，[]表示取整。

步骤一至此结束。

进一步的，所述步骤二的拟控制输入频域量P^*(s)具体为：咖啡机温度控制系统比例微分的输出频域量，相对应的，定义咖啡机温度控制系统比例微分的第k步输出的时域量P^*(k)为拟控制输入第k步的时域量。这里需要指出的是所述咖啡机温度控制系统比例微分就是现有技术的温度控制比例积分微分方法的一部分，步骤二提取现有技术的不含积分因子的温度控制输出来进一步设计延迟影响抑制方法。

进一步的，所述步骤二的延迟影响抑制频域量T′(s)具体通过以下式子计算得到：

相对应的，所述步骤二的延迟影响抑制第k步时域量T′(k)为：

式中，T′(k)为延迟影响抑制第k步时域量，T′(k-1)为延迟影响抑制第k-1步时域量，τ_k为咖啡机温度控制系统的延迟步长，T_c为采样周期，P^*(k)为咖啡机温度控制系统比例微分的第k步输出的时域量，P^*(k-τ_k)为咖啡机温度控制系统比例微分的第k-τ_k步输出的时域量。

进一步的，根据咖啡机温度输出频域量T(s)和延迟影响抑制频域量T′(s)计算出温度反馈频域量T^#(s)，具体为：

T^#(s)＝T′(s)+T(s)

相对应的，由咖啡机的温度输出第k步时域量T(k)和延迟影响抑制第k步时域量T′(k)计算出温度反馈第k步时域量T^#(k)，具体为：

T^#(k)＝T′(k)+T(k)

进一步的，根据咖啡机温度指令频域量T^*(s)和咖啡机温度反馈频域量T^#(s)计算出温度偏差频域量E(s)，具体为：

E(s)＝T^*(s)-T^#(s)

相对应的，由咖啡机温度指令第k步时域量T^*(k)，咖啡机温度反馈第k步时域量T^#(k)计算出温度偏差第k步时域量E(k)，具体为：

E(k)＝T^*(k)-T^#(k)

进一步的，根据温度偏差频域量E(s)，由现有的比例微分(PD)算法，计算出拟控制频域输入P^*(s)，具体为：

P^*(s)＝(k_p+k_ds)E(s)＝(k_p+k_ds)[T^*(s)-T^#(s)]

式中，k_p为比例系数，k_d为微分系数。

相对应的，所述拟控制第k步时域输入P^*(k)为：

式中，E(k-1)为温度偏差第k-1步时域量。

其中

E(k)＝T^*(k)-T^#(k)

E(k-1)＝T^*(k-1)-T^#(k-1)

式中T^*(k)为咖啡机温度指令第k步时域量，T^*(k-1)为咖啡机温度指令第k-1步时域量，T^*(k)为咖啡机温度反馈第k步时域量，T^#(k-1)为咖啡机温度反馈第k-1步时域量。

步骤二至此结束。

所述步骤三的流量影响估算频域量

具体通过以下式子计算得到：

式中，G^-1(s)为不考虑延迟的功率-温度传递函数的倒数，λ(s)为所设计的延迟通道滤波器，

具体为：

式中，Z为延迟通道滤波器的参数，用于本方法具体实施中进行调节。

相对应的，步骤三的流量影响估算第k步时域量

为：

其中，其中，

为流量影响估算第k-1步时域量，T(k-1)为咖啡机温度输出第k-1步时域量，P(k-τ_k)为控制输入第k-τ_k步时域量。

进一步的，控制输入频域量P(s)根据拟控制输入频域量P^*(s)和流量影响估算频域量

得到，具体为：

相对应的，控制输入第k步时域量P(k)由拟控制输入第k步时域量P^*(k)和流量影响估算第k步时域量

得到，具体为：

步骤三至此结束。

通过步骤一至步骤三，即可实现基于流量影响估算和延迟影响抑制的咖啡机温度控制方法。

本发明的有益效果是：

(1)形式简单，容易实现；本发明的流量影响估算算法和延迟影响抑制算法可以直接加在现有全自动咖啡机产品的PID控制算法上，只需要将积分因子消除，不改变现有控制结构；

(2)抗延迟控制性能更好；本发明设计的延迟影响抑制算法可以在控制输入通道减弱甚至完全抑制温度控制对象的延迟。说明书附图2的控制曲线说明了本发明与现有方法的对比性优势，其中实线为给定的温度(50℃)，虚线为现有方法的控制效果，点线为本发明的控制效果，从控制曲线中可以看出，咖啡机的0.1s延迟导致了现有方法的控制效果很差，具体表现为在2s内还无法跟踪给定的温度，而本发明的控制效果则很好，具体表现为在很短的时间内(0.35s)跟踪上给定的温度；

(3)抗干扰控制性能更好；本发明设计的流量影响估算算法可以在控制输入通道补偿流量干扰的影响。说明书附图2的控制曲线说明了本发明与现有方法的对比性优势，其中实现为给定的温度(50℃)，虚线为现有方法的控制效果，点线为本发明的控制效果，从控制曲线中可以看出，在时间1s时流量干扰加入之后，本发明在很短的时间内(0.25s)就消除了干扰的影响，重新跟踪上给定的温度，而现有方法则一直没有消除流量干扰的影响。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是本发明的有益效果波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明为一种新型咖啡机温度抗干扰控制方法，具体是一种基于流量影响估算和延迟影响抑制的咖啡机温度控制方法，原理如图1所示，具体步骤如下：

步骤一：考虑咖啡机温度控制系统惯性系数、咖啡机温度控制系统增益、咖啡机温度控制系统的延迟时间，建立全自动咖啡机的温度控制系统频域模型和时域模型；

步骤二：延迟影响抑制步骤，根据拟控制输入、不考虑延迟的功率—温度传递函数、咖啡机温度控制系统的延迟时间，得到延迟影响抑制量；

步骤三：流量影响估算步骤，根据拟控制输入、不考虑延迟的功率—温度传递函数、咖啡机温度控制系统的延迟时间、延迟通道滤波器，得到流量影响估算量。

为了说明本发明的具体实施方式，下面结合Matlab R2014a软件进行阐述。仿真咖啡机参数设置为：温度控制系统增益N为2℃/W；温度控制惯性系数D为6；咖啡机温度控制系统的延迟时间τ为0.1s。

下面结合附图对本发明的实施例作详细设计步骤说明。

先开始步骤一：考虑温度控制系统惯性系数和温度控制系统增益和咖啡机温度控制系统的延迟时间，建立全自动咖啡机的温度控制系统频域模型和时域模型。

步骤一是建模步骤，为的是建立方便本方法进行温度控制制方法设计的咖啡机温度控制频域模型和时域模型。

所述步骤一的温度控制频域模型具体表示为：

T(s)＝G(s)e^-τs[P(s)+Q(s)]

式中，e表示自然底数；τ表示咖啡机温度控制系统的延迟时间；s表示拉普拉斯复数算子；

T(s)为咖啡机温度输出频域量；Q(s)为咖啡机温度控制系统受到来自水流量的频域干扰量；

G(s)表示不考虑延迟的功率-温度传递函数，具体为：

式中，N表示咖啡机温度控制系统增益，D表示咖啡机温度控制系统惯性系数。

因此，所建立的咖啡机温度控制系统频域模型还能够写为：

相对应的，所建立的咖啡机温度控制系统时域模型为：

式中，T(k)为咖啡机的温度输出第k步时域量，T(k-1)为咖啡机的温度输出第k-1步时域量，τ_k为咖啡机温度控制系统的延迟步长，T_c为采样周期，P(k-τ_k)为咖啡机的加热功率的第k-τ_k步时域量，Q(k-τ_k)具体为：咖啡机温度控制系统受到来自水流量的干扰第k-τ_k步时域量。

其中，τ_k具体为：咖啡机温度控制系统的延迟时间τ与采样周期T_c之商的取整(用数学里的向下取整或者向上取整都可以)，由下式表示：

式中，[]表示取整。

步骤一至此结束。根据步骤一建立的温度控制频域模型和时域模型直接用于步骤二和步骤三算法的设计。

下面开始步骤二：根据拟控制输入、不考虑延迟的功率-温度传递函数、咖啡机温度控制系统的延迟时间，得到延迟影响抑制量。

步骤二的目的是抑制延迟影响对咖啡机温度控制系统的影响。所述步骤二的拟控制输入频域量P^*(s)具体为：温度控制系统比例微分(PD)的输出频域量，相对应的，定义咖啡机温度控制系统比例微分(PD)的第k步输出的时域量P^*(k)为拟控制输入第k步时域量。

进一步的，所述步骤二的延迟影响抑制频域量T′(s)具体通过以下式子计算得到：

相对应的，所述步骤二的延迟影响抑制第k步时域量T′(k)为：

式中，T′(k)为延迟影响抑制第k步时域量，T′(k-1)为延迟影响抑制第k-1步时域量，τ_k为咖啡机温度控制系统的延迟步长，T_c为采样周期，P^*(k)为咖啡机温度控制系统比例微分(PD)的第k步输出的时域量，P^*(k-τ_k)为咖啡机温度控制系统比例微分(PD)的第k-τ_k步输出的时域量。

进一步的，根据咖啡机温度输出频域量T(s)和延迟影响抑制频域量T′(s)计算出温度反馈频域量T^#(s)，具体为：

T^#(s)＝T′(s)+T(s)

相对应的，由咖啡机的温度输出第k步时域量T(k)和延迟影响抑制第k步时域量T′(k)计算出温度反馈第k步时域量T^#(k)，具体为：

T^#(k)＝T′(k)+T(k)

进一步的，根据咖啡机温度指令频域量T^*(s)和咖啡机温度反馈频域量T^#(s)计算出温度偏差频域量E(s)，具体为：

E(s)＝T^*(s)-T^#(s)

相对应的，由咖啡机温度指令第k步时域量T^*(k)，咖啡机温度反馈第k步时域量T^#(k)计算出温度偏差第k步时域量E(k)，具体为：

E(k)＝T^*(k)-T^#(k)

进一步的，根据温度偏差频域量E(s)，由现有的比例微分(PD)算法，计算出拟控制频域输入P^*(s)，具体为：

P^*(s)＝(k_p+k_ds)E(s)＝(k_p+k_ds)[T^*(s)-T^#(s)]

式中，k_p为比例系数，k_d为微分系数。

相对应的，所述拟控制第k步时域输入P^*(k)为：

式中，E(k-1)为温度偏差第k-1步时域量。

其中

E(k)＝T^*(k)-T^#(k)

E(k-1)＝T^*(k-1)-T^#(k-1)

式中T^*(k)为咖啡机温度指令第k步时域量，T^*(k-1)为咖啡机温度指令第k-1步时域量，T^*(k)为咖啡机温度反馈第k步时域量，T^#(k-1)为咖啡机温度反馈第k-1步时域量。

步骤二至此结束。步骤二得到的拟控制输入频域量P^*(s)以及拟控制输入第k步时域量P^*(k)将用于步骤三的流量影响估算步骤中。

下面进行步骤三：流量影响估算步骤，根据拟控制输入、不考虑延迟的功率-温度传递函数、咖啡机温度控制系统的延迟时间、延迟通道滤波器，得到流量影响估算量。

步骤三的目的是为了消除流量干扰对咖啡机温度控制系统的影响，所述步骤三的流量影响估算频域量

具体通过以下式子计算得到：

式中，G^-1(s)为不考虑延迟的功率-温度传递函数的倒数，λ(s)为所设计的延迟通道滤波器，

具体为：

式中，Z为延迟通道滤波器的参数，可在本发明方法具体实施中进行调节。

相对应的，步骤三的流量影响估算第k步时域量

为：

其中，

为流量影响估算第k-1步时域量，T(k-1)为咖啡机温度输出第k-1步时域量，P(k-τ_k)为控制输入第k-τ_k步时域量。

进一步的，控制输入频域量P(s)根据拟控制输入频域量P^*(s)和流量影响估算频域量

得到，具体为：

相对应的，控制输入第k步时域量P(k)由拟控制输入第k步时域量P^*(k)和流量影响估算第k步时域量

得到，具体为：

步骤三至此结束。实施步骤一至步骤三，即能够实现新型咖啡机温度抗干扰控制方法。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (4)

1.一种新型咖啡机温度抗干扰控制方法，包括以下步骤：

步骤一：考虑咖啡机温度控制惯性系数、咖啡机温度控制系统增益、咖啡机温度控制系统的延迟时间，建立全自动咖啡机的温度控制系统频域模型和时域模型；

步骤二：根据拟控制输入、不考虑延迟的功率-温度传递函数和咖啡机温度控制系统的延迟时间，得到延迟影响抑制量；

步骤三：根据拟控制输入、不考虑延迟的功率-温度传递函数、咖啡机温度控制系统的延迟时间、延迟通道滤波器，得到流量影响估算量。

2.根据权利要求1所述的一种新型咖啡机温度抗干扰控制方法，其特征在于，步骤一的咖啡机温度控制频域模型具体表示为T(s)＝G(s)e^-τs[P(s)+Q(s)]

式中，e表示自然底数；τ表示咖啡机温度控制系统的延迟时间；s表示拉普拉斯复数算子；T(s)为咖啡机温度输出频域量；Q(s)为咖啡机温度控制系统受到来自水流量的频域干扰量；G(s)表示不考虑延迟的功率-温度传递函数，具体为：

式中，N表示咖啡机温度控制系统增益，D表示咖啡机温度控制系统惯性系数。

因此，所建立的咖啡机温度控制系统频域模型还能够写为：

相对应的，所建立的咖啡机温度控制系统时域模型为：

式中，T(k)为咖啡机的温度输出第k步时域量，T(k-1)为咖啡机的温度输出第k-1步时域量，τ_k为咖啡机温度控制系统的延迟步长，T_c为采样周期，P(k-τ_k)为咖啡机的加热功率的第k-τ_k步时域量，Q(k-τ_k)具体为：咖啡机温度控制系统受到来自水流量的干扰第k-τ_k步时域量。

其中，τ_k具体为：咖啡机温度控制系统的延迟时间τ与采样周期T_c之商的取整，由下式表示：

式中，[]表示取整。

3.根据权利要求1所述的一种新型咖啡机温度抗干扰控制方法，其特征在于，步骤二的拟控制输入频域量P^*(s)具体为：咖啡机温度控制系统比例微分的输出频域量，相对应的，定义咖啡机温度控制系统比例微分的第k步输出的时域量P^*(k)为拟控制输入第k步的时域量。这里需要指出的是所述咖啡机温度控制系统比例微分就是现有技术的温度控制比例积分微分方法的一部分，步骤二提取现有技术的不含积分因子的温度控制输出来进一步设计延迟影响抑制方法。

所述步骤二的延迟影响抑制频域量T′(s)具体通过以下式子计算得到：

相对应的，所述步骤二的延迟影响抑制第k步时域量T′(k)为：

式中，T′(k)为延迟影响抑制第k步时域量，T′(k-1)为延迟影响抑制第k-1步时域量，τ_k为咖啡机温度控制系统的延迟步长，T_c为采样周期，P^*(k)为咖啡机温度控制系统比例微分的第k步输出的时域量，P^*(k-τ_k)为咖啡机温度控制系统比例微分的第k-τ_k步输出的时域量；

根据咖啡机温度输出频域量T(s)和延迟影响抑制频域量T′(s)计算出温度反馈频域量T^#(s)，具体为：

T^#(s)＝T′(s)+T(s)

相对应的，由咖啡机的温度输出第k步时域量T(k)和延迟影响抑制第k步时域量T′(k)计算出温度反馈第k步时域量T^#(k)，具体为：

T^#(k)＝T′(k)+T(k)

根据咖啡机温度指令频域量T^*(s)和咖啡机温度反馈频域量T^#(s)计算出温度偏差频域量E(s)，具体为：

E(s)＝T^*(s)-T^#(s)

相对应的，由咖啡机温度指令第k步时域量T^*(k)，咖啡机温度反馈第k步时域量T^#(k)计算出温度偏差第k步时域量E(k)，具体为：

E(k)＝T^*(k)-T^#(k)

根据温度偏差频域量E(s)，由现有的比例微分算法，计算出拟控制频域输入P^*(s)，具体为：

P^*(s)＝(k_p+k_ds)E(s)＝(k_p+k_ds)[T^*(s)-T^#(s)]

式中，k_p为比例系数，k_d为微分系数；

相对应的，所述拟控制第k步时域输入P^*(k)为：

式中，E(k-1)为温度偏差第k-1步时域量；

其中

E(k)＝T^*(k)-T^#(k)

E(k-1)＝T^*(k-1)-T^#(k-1)

式中T^*(k)为咖啡机温度指令第k步时域量，T^*(k-1)为咖啡机温度指令第k-1步时域量，T^*(k)为咖啡机温度反馈第k步时域量，T^#(k-1)为咖啡机温度反馈第k-1步时域量。

4.根据权利要求1所述的一种新型咖啡机温度抗干扰控制方法，其特征在于，步骤三的流量影响估算频域量

具体通过以下式子计算得到：

式中，G^-1(s)为不考虑延迟的功率-温度传递函数的倒数，λ(s)为所设计的延迟通道滤波器，具体为：

式中，Z为延迟通道滤波器的参数，用于本方法具体实施中进行调节；

相对应的，步骤三的流量影响估算第k步时域量

为：

其中，

为流量影响估算第k-1步时域量，T(k-1)为咖啡机温度输出第k-1步时域量，P(k-τ_k)为控制输入第k-τ_k步时域量；

控制输入频域量P(s)根据拟控制输入频域量P^*(s)和流量影响估算频域量

得到，具体为：

相对应的，控制输入第k步时域量P(k)由拟控制输入第k步时域量P^*(k)和流量影响估算第k步时域量

得到，具体为：

Images