CN114675681B - 烹饪器具的温度控制方法和烹饪器具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烹饪器具的温度控制方法及使用该方法的烹饪器具，以及计算机程序和存储介质。烹饪器具包括加热装置、冷却装置、温度检测装置和控制装置，温度控制方法包括：控制装置计算温度检测装置检测到的实际温度与目标温度的偏差；控制装置采用双向PID算法控制加热装置和/或冷却装置以减小偏差，其中，若实际温度高于目标温度，控制装置控制冷却装置工作以降温；若实际温度低于目标温度，控制装置控制加热装置工作以升温。根据本发明的基于双向PID算法的温度控制方法，可以实现烹饪器具的精准的温度控制。

Description

烹饪器具的温度控制方法和烹饪器具

技术领域

本发明总地涉及烹饪器具的技术领域，具体而言涉及一种烹饪器具的温度控制方法和烹饪器具。

背景技术

市面上的烹饪装置普遍采用继电器对加热装置进行开关控制，并且温度控制普遍采用模糊控制算法，顶部的风泵主要作用是防止溢锅，通过温差打破沸腾气泡。

由于继电器寿命限制，控制开关时间不能过快(通常为一秒)，加热控制采用一秒为基准时间的断续加热，在加热至设定温度值时，余热非常容易导致温度超调。如果采用小功率的断续加热则会延长加热时间。当用于发酵功能时，需要精确控制温度保证最好的酵母活性，过高的温度会导致酵母失活、发酵失败。

因此，需要一种烹饪器具的温度控制方法和烹饪器具，以至少部分地解决现有技术中的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了至少部分地解决背景技术中的问题，首先，本发明提供一种烹饪器具的温度控制方法，所述烹饪器具包括加热装置、冷却装置、温度检测装置和控制装置，所述温度控制方法包括：所述控制装置计算所述温度检测装置检测到的实际温度与目标温度的偏差，所述控制装置采用双向PID算法控制所述加热装置和/或所述冷却装置以减小所述偏差，其中，若所述实际温度高于所述目标温度，所述控制装置控制所述冷却装置工作以降温，若所述实际温度低于所述目标温度，所述控制装置控制所述加热装置工作以升温。

根据本发明的基于双向PID算法的温度控制方法，可以实现烹饪器具的精准的温度控制。

进一步，所述双向PID的运算输出结果经归一化后通过脉冲宽度调制PWM的方法控制所述加热装置和/或所述制冷装置的功率。

根据本方案，采用PWM技术，工作周期可设置在毫秒级别，能够整体提高控温系统的精度。

优选地，当所述偏差大于阈值时，所述双向PID算法中的积分项不起作用。

根据本方案，可以消除积分项的累积所导致的较长时间的大幅度震荡，同时可减少运算量。

优选地，所述阈值与所述实际温度的大小正相关。

根据本方案，可根据实际温度灵活调整阈值，以实现快速、稳定、精准地控温。

优选地，所述双向PID算法中的微分项串联一阶惯性环节。

根据本方案，可以克服系统惯性(如发热盘余热)和超前控制偏差。

优选地，所述一阶惯性环节的传递函数为：

其中F为滤波系数。

根据本方案，可限制PID算法中微分项的输出幅度，避免数据溢出。

优选地，所述双向PID的运算结果并联温度滞后补偿环节。

根据本方案，可以消除温度传感器的滞后性所导致的整个控温系统的超调和振荡。

优选地，所述温度滞后补偿环节的传递函数为：

H_N(s)＝H_M(s)(1-e^-τs)

其中H_M(s)为受控对象温度的传递函数中不含纯滞后特性的部分，τ为纯滞后时间。

根据本方案，通过时移τ克服温度传感器的滞后性。

本发明还提供一种烹饪器具，包括煲体、位于所述煲体内的内锅、加热装置、冷却装置、温度检测装置和与所述加热装置、所述冷却装置以及所述温度检测装置均电连接的控制装置，所述控制装置配置为执行上述的温度控制方法。

根据本发明的烹饪器具，可以实现烹饪器具的精准的温度控制。

优选地，所述冷却装置为风扇，所述控制装置配置为控制所述风扇的转速。

根据本方案，当实际温度超过期望温度时，可使系统快速降温，风扇散热简便、易行。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的具体实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为根据本发明的烹饪器具的整体控制流程图；

图2为本发明在PID算法的基础上增加积分分离的控制流程图；

图3为本发明的带有滞后补偿环节的控制流程图；

图4为图3中的控制系统的等效控制流程图；以及

图5为本发明的烹饪器具控制器的工作流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的流程。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。

本发明提供了一种基于双向PID算法的温度控制方法和采用该方法的烹饪器具。下面结合附图对本发明的优选实施方式进行说明。

本发明所述方法为自动控制领域的技术，本领域技术人员可理解的是，说明方法过程中所用到的各个函数中，同一字母用于表示同一函数，其中小写字母对应于该函数在时域中的形式，大写字母对应于该函数在频域中的拉普拉斯变换形式，例如，时域连续函数u(t)与频域函数U(s)相对应，时域离散函数u(k)与时域连续函数u(t)相对应，U(s)与u(t)的相互变换计算方法(即拉普拉斯变换和拉普拉斯反变换)为本领域常识，时域连续函数u(t)离散化为时域离散函数u(k)的方法为本领域常识。

比例积分微分(PID)算法的基本函数式如函数式(1)所示：

U(s)＝U_P(s)+U_I(s)+U_D(s) (1)

其中U(s)称为控制函数，U_P(s)称为比例项，U_I(s)称为积分项，U_D(s)称为微分项。函数式(1)中：

U_P(s)＝K_PE(s) (2)

U_D(s)＝K_DE(s)s (4)

其中，E(s)为受控量的偏差，即受控量的实际值与期望值(理想值)的差值，K_P为比例系数，K_I为积分系数，K_D为微分系数。

将函数式(2)、(3)和(4)带入函数式(1)，并进行拉普拉斯反变换，得到如函数式(5)所示的连续的时域控制函数u(t)的表达式：

函数式(5)中存在与函数式(1)中的比例项U_P(s)、积分项U_I(s)和微分项U_D(s)相对应的时域连续函数u_P(t)、u_I(t)和u_D(t)，其中：

u_P(t)＝K_Pe(t) (6)

连续时域函数u(t)的离散时域表达式如函数式(9)所示：

其中，T为系统的采样周期，即受控量实际值的连续两次采样时间的间隔，k为采样次数。函数式(9)中存在与函数式(1)中的比例项U_P(s)、积分项U_I(s)和微分项U_D(s)相对应的时域离散函数u_P(k)、u_I(k)和u_D(k)，其中：

u_P(k)＝K_Pe(k) (10)

时域离散函数u_P(k)、u_I(k)和u_D(k)同时也对应于函数式(5)中的时域连续函数u_P(t)、u_I(t)和u_D(t)。

上述函数式(1)-(12)为PID算法的基本函数式。本发明则在函数式(1)-(12)的基础上进行了优化，以更精确地实现烹饪器具的温度控制。本发明优化后的PID控制器的传递函数定义为Z(s)。

图1示出了根据本发明的烹饪器具的整体控制流程图。控制装置通过上、下温度传感器采集烹饪器具的内锅的顶部和底部的温度数据。为了达到精确控制温度，内锅的温度调节需要加热和冷却两种控制手段。当PID运算输出结果大于0(例如下文所述归一化后的0至100％)时，说明实际温度低于期望温度，可控硅控制加热装置(例如发热盘)工作，通过PWM(脉冲宽度调制)输出调节发热功率。当PID运算输出结果小于0(例如下文所述归一化后的-100％至0)时，说明实际温度高于期望温度，停止加热并启动冷却控制，控制装置求取PID运算输出的绝对值，并将结果转化为控制装置I/O口的PWM输出，控制对冷却装置(例如散热风扇，用于给散热盘降温)的功率。控制装置内PWM周期可以设置在毫秒级别，能够整体提高控温系统精度。

因为温度受控对象的大滞后、非线性、延时等特点，常规的PID控制器对温度对象控制很难达到理想的控制效果。为达到烹饪器具恒温控制的目的，本发明在PID算法上加上了积分分离和微分延迟环节。为了与上述PID算法函数式(1)-(12)相区别，本发明的改进的积分项分别用U’_I(s)、u’_I(t)和u’_I(k)表示其频域函数、时域连续函数和时域离散函数，本发明的改进的微分项分别用U’_D(s)、u’_D(t)和u’_D(k)表示其频域函数、时域连续函数和时域离散函数。

以下说明积分分离方法。

积分分离方法的目的在于，当控制装置获取的内锅的实际温度数据与期望的加热温度偏差较大时，取消积分项作用，而仅依靠比例项和微分项的作用，以消除积分项的累积所导致的较长时间的大幅度震荡，同时可减少运算量；当实际温度数据与期望的加热温度偏差较小时，引入积分控制环节，即比例项、微分项、积分项同时起作用，以减小系统静态偏差，使实际温度快速达到期望温度。

本发明的改进的积分项u’_I(k)的表达式如函数式(13)所示：

其中，e(k)为本发明中的温度偏差，k为当前总采样次数，j为采样次数，T为本发明的温度采样周期(如可为10ms、20ms等)，β为积分项的开关系数，其取值如函数式(14)所示：

其中，A为设定阈值，即温度偏差e(k)大于阈值A时开关系数关闭、积分项不起作用，温度偏差e(k)小于或等于阈值A时开关系数打开、积分项起作用。

参考图2，当温度偏差e(k)大于阈值A时，控制算法中的积分项不起作用，控制算法为PD控制算法。当温度偏差e(k)小于或等于阈值A时，控制算法中的积分起作用，控制算法为PID控制算法。

在本发明的烹饪器具温度控制系统中，阈值A的取值范围可以为10～30℃。在实际控制的过程中，A的取值可根据烹饪器具开始工作时的初始温度做一定的调整，如初始温度小于2℃，为低温状态，则减小阈值A，反之在高温状态(例如70℃)增加阈值A。因此，本发明可根据实际温度灵活调整阈值A，以实现快速、稳定、精准地控温。

以下说明微分延迟方法。

对于时间常数较大的温度控制系统，PID方法中微分项的调节作用较小，不能克服系统惯性(如发热盘余热)和超前控制偏差。PID方法中微分项的输出幅值一般比较大，容易造成控制装置(如单片机)数据溢出。本发明在PID的微分项中输出串联一阶惯性环节，组成不完全微分控制器来减小微分作用，延长微分输出。一阶惯性环节的传递函数G_F(s)表达式如函数式(15)所示：

其中F为滤波系数。则本发明的改进的微分项U’_D(s)的频域表达式如函数式(16)所示：

U′_D(s)＝U_D(s)·G_F(s) (16)

将函数式(4)和函数式(15)带入函数式(16)，得到函数式(17)：

函数式(17)变形后得到等式(18)：

U′_D(s)+FU′_D(s)s＝K_DE(s)s (18)

将等式(18)两边同时做拉普拉斯反变换，得到关于时域连续函数u’_D(t)的等式(19)：

将等式(19)在时域离散化，得到时域关于时域离散函数u’_D(k)的等式(20)：

将等式(20)合并同类项，得到关于时域离散函数u’_D(k)的一阶惯性函数式(21)：

在函数式(21)中，令：

则：

u′_D(k)＝αu′_D(k-1)+γK_D[e(k)-e(k-1)] (22)

还可设置T和F的值满足T+F>1，则有0<α<1和0<γ<1。

此时将函数式(22)和函数式(12)相比较，可知，本发明改进的微分项中形成了不完全微分项，且原微分系数K_D降至为γK_D，能够有效克服完全微分项的不足，同时可限制微分项的输出幅度，避免数据溢出。

以下介绍本发明中对传感器滞后性能的补偿方法。

在烹饪器具实际工作过程中，顶部和底部有可能会有较大的测量差值，优选地，选用跟实际温度更为接近的顶部传感器测得温度作为输入数据。

加热过程中，传感器所测得温度数据会有一定的滞后性，这种滞后性是由于传感器自身性能所致。这种滞后性会导致整个控温系统的超调和振荡。本发明的控制方法中，在PID控制器端并联一个温度补偿环节(例如，Smith预估器)，控制流程图如图3所示。补偿环节的传递函数H_N(s)如函数式(23)所示：

H_N(s)＝H_M(s)(1-e^-τs) (23)

其中，H_M(s)为受控对象温度的传递函数H(s)(见图3)中不含纯滞后特性的部分，τ为纯滞后时间。

由图3可知，控制量u’(t)控制受控量温度g(t)，因此存在受控对象温度g(t)的传递函数H(s)，满足：

G(s)＝U′(s)·H(s) (24)

因温度传感器造成的滞后性，H(s)可以分解为纯滞后特性部分e^-τs和不含纯滞后特性的部分H_M(s)，即：

H(s)＝H_M(s)·e^-τs (25)

在图3中，温度偏差E(s)与控制量U’(s)满足以下关系：

E(s)Z(s)-U′(s)H_N(s)＝U′(s) (26)

将等式(26)进一步变形，得到图3中补偿环节与PID控制器共同组成的补偿控制器的传递函数D(s)：

在图3中，最终的输出量温度G(s)与期望温度R(s)之间可建立下式所述的关系：

R(s)D(s)H(s)-G(s)D(s)H(s)＝G(s) (28)

将等式(28)进一步变形，得到系统的最终输出温度G(s)与期望温度R(s)之间的频域中的关系，也即整个系统的传递函数Q(s)：

将函数式(27)中D(s)的取值和代入函数式(29)，可得到下式：

将函数式(23)中的H_N(s)的取值和函数式(25)中的H(s)的取值代入函数式(30)，最终得到下式：

函数式(31)中的传递函数Q(s)所对应的控制系统如图4所示，即图4为与图3的控制系统等效的控制系统。图4中，Z(s)为本发明的改进的PID控制器的传递函数，H_M(s)中不含有纯滞后成分，因此，经过补偿后的闭环系统没有影响系统的稳定性，只是将g₁(t)整体后移了一段时间τ，其控制性能相当于温度传感器无滞后。

以下介绍本发明中PID控制器输出结果的归一化方法。

在实际温度控制系统内，PID控制器输入和输出的量纲和量纲单位是不一致，采用数据归一化方式进行处理，能够适当削弱数值较高的指标在整体系统中的作用，提高数值较低的指标的作用。采用min-max标准化，输入信号归一化处理后的偏差计算如下：

其中，er为未归一化之前的偏差，error为归一化后的偏差，min为系统的偏差最小值，max为系统的偏差最大值。公式(32)将偏差范围归一化至-100％～+100％区间内的数值。

输出结果u’(k)是由无量纲数值error参与比例、积分、微分进行分量运算得到，u’(k)也是无量纲的数值。在实际烹饪器具温度控制系统内，发热盘的功率和散热风扇的转速是有限的，应将输出结果u’(k)也限制在-100％～+100％之间，超过该范围区间的数值被规整为-100％和+100％。最终的输出结果按照比例转化为一个固定位数的数值(如8位数值、16位数值等)对控制装置(如单片机)的I/O口进行PWM输出控制。

当PID运算输出结果为0～+100％时，可控硅控制发热盘工作，通过PWM输出调节发热功率。当PID运算输出结果为-100％～0时，停止加热并启动冷却控制，控制装置求取PID输出量的绝对值并将结果转化为I/O口的PWM输出对散热风扇的功率进行控制(风扇用于给发热盘散热)。具体地，控制风扇的电压，电压跟转速成正比关系，从而可控制风扇提供不同水平的散热能力。控制装置内PWM周期可以设置在毫秒级别，能够整体提高控温系统精度，其中散热风扇的驱动电流为4-20mA。风扇散热简便、易行，可在实际温度超过期望温度时使系统快速降温。

由以上描述可知，在本发明中，PID的运算输出范围为双向-100％～+100％。当PID输出结果为正值时，本发明的方法中将其转化为对加热装置的控制信号，当PID输出结果为负值时，本发明的方法中将其转化为对制冷装置的控制信号，即本发明充分利用PID输出结果的正负双向取值。因此本发明的方法称为双向PID控制方法。

基于以上的控制方法，如图5所示，在烹饪器具开始工作时，控制装置会先进行环境高低温判断，并且设置PID系数，对初值进行设定，获取期望温度和实际温度的差值进行加热或者散热控制。差值经过优化的PID控制器和Smith预估器补偿环节获得一个可以转化为PWM的输出结果，对发热盘和散热风扇进行功率和转速的控制。在升温或者降温的过程，输入和输出的数据可以20ms为一个周期进行不断的调节控制，以满足烹饪器具精准控温的要求。

针对传统饭煲加热控制大惯性、大滞后性的特点，本发明提供了一种基于双向PID算法的烹饪器具的温度控制方法，通过调整发热盘功率和顶部风泵用于散热，结合控温算法，在程序中做出预判性控制，提前减小功率，打开散热风扇等，达到更精确的控温效果。

本发明还提供一种烹饪器具，包括煲体、位于煲体内的内锅、加热装置、冷却装置、温度检测装置和与加热装置、冷却装置以及温度检测装置均电连接的控制装置，控制装置配置为执行上述的温度控制方法。

根据本发明的烹饪器具，可以实现烹饪器具的精准的温度控制。

优选地，冷却装置为风扇，控制装置配置为控制风扇的转速。当实际温度超过期望温度时，可使系统快速降温，风扇散热简便、易行。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。

本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (9)

1.一种烹饪器具的温度控制方法，所述烹饪器具包括加热装置、冷却装置、温度检测装置和控制装置，其特征在于，所述温度控制方法包括：

所述控制装置计算所述温度检测装置检测到的实际温度与目标温度的偏差，将所述偏差的范围归一化至-100％～+100％区间内的数值；以及

所述控制装置采用双向PID算法控制所述加热装置和所述冷却装置以减小所述偏差，

所述双向PID的运算结果并联温度滞后补偿环节，并进行归一化处理，将所述双向PID的运算结果限制在-100％～+100％之间，超过该范围区间的数值被规整为-100％和+100％；

其中，若所述双向PID的运算输出结果为0至100％，所述实际温度高于所述目标温度，所述控制装置控制所述冷却装置工作以降温；若所述双向PID的运算输出结果为-100％至0，所述实际温度低于所述目标温度，所述控制装置控制所述加热装置工作以升温。

2.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述双向PID的运算输出结果经归一化后通过脉冲宽度调制PWM的方法控制所述加热装置和/或所述制冷装置的功率。

3.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，当所述偏差大于阈值时，所述双向PID算法中的积分项不起作用。

4.根据权利要求3所述的温度控制方法，其特征在于，所述阈值与所述实际温度的大小正相关。

5.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述双向PID算法中的微分项串联一阶惯性环节。

6.根据权利要求5所述的温度控制方法，其特征在于，所述一阶惯性环节的传递函数为其中F为滤波系数。

7.根据权利要求1所述的温度控制方法，其特征在于，所述温度滞后补偿环节的传递函数为H_N(s)＝H_M(s)(1-e^-τs)，其中H_M(s)为受控对象温度的传递函数中不含纯滞后特性的部分，τ为纯滞后时间。

8.一种烹饪器具，其特征在于，包括煲体、位于所述煲体内的内锅、加热装置、冷却装置、温度检测装置和与所述加热装置、所述冷却装置以及所述温度检测装置均电连接的控制装置，所述控制装置配置为执行权利要求1-7中任一项所述的温度控制方法。

9.根据权利要求8所述的烹饪器具，其特征在于，所述冷却装置为风扇，所述控制装置配置为控制所述风扇的转速。