CN115268535A - 一种开环即热控制系统的精准控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种开环即热控制系统的精准控制方法，基于开环即热控制系统的架构，根据能量守恒关系，确定系统中影响加热效果，带来系统偏差的参数功率P、热效率η、流量q、ΔT；并通过各个环境计算方式和测定计算，让参数变为一个确定的参数，让系统能够准确精准地获取每个参数的确定值，并在该基础上进行加热计算和控制过程，利用系统自学习使得每一个部件的参数都成为已知值，每一次启动只是开环控制，使得系统可以精准而快速到达目标温度。
Description
【技术领域】
本发明涉及小型电子产品的加热控制技术，尤其涉及饮水设备加热控制系统即热控制系统。
【背景技术】
随着经济的发展，生活水平的提升，即热饮水的便捷、节能的优点逐渐走入人们的生活中。这种即热式饮水机的主要是用水泵控制流量、通过即热体加热将电能转化为热能，但是由于所有零部件制造时都会有性能偏差，而且随着寿命的进行，一些参数也会有变化。目前行业内是通过调整闭环控制，利用出水温度检测后调整流量和功率实现温度调控，但是闭环控制很慢导致实际使用时很长一段时间内都没有办让出水温度达到设定温度。
比如说设置出水温度为90°，开机后对实际出水温度进行检测，发现温度低于90°，那么系统会判定是即热体功率低，或者是水泵流量大，可以进行相应地调节，但是很难达到到反馈迅速而有效率的精准调节的程度。
所以我们需要对会影响到系统的参数都进行测定和监控，以便对实现对温度精确控制、快速到达目标温度并直接出水都是设定系统的关键参数并控制运行的结果。
【发明内容】
本发明针对这一技术问题，本发明设计一种控制方案，利用系统自学习使得每一个部件的参数都成为已知值，每一次启动只是开环控制，使得系统可以精准而快速到达目标温度。
本发明所涉及的一种即热控制系统，包括水泵、进水温度计、加热体、出水温度计、电控板，水泵通过管路往加热体供水，在加热体的入口端设有进水温度计，而在加热体的出水端设有出水温度计，该电控板控制水泵和加热体的启停和功率，采集进水温度计和出水温度计的数值；
采用该即热控制系统进行精准控制的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：利用能量守恒，系统将电能转化为水的热能，通过能量守恒公式能够得到系统的流量关系式：
步骤二：从关系式中确定会影响加热效果、带来系统调节偏差的参数有：功率P、热效率η、流量q、ΔT。
步骤三：将功率P通过自测程序，关联市电电压来测算实际功率P；
步骤四：在系统进行计算时，是按照稳态时的热效率进行，而加热启动的时候，效率会被加热体本身吸收，而不会做功于水，通过增加一个让加热体效率达到稳定的预热过程，以解决热效率η偏差；
步骤五：系统流量通过水泵的电压控制，与电压呈线性关系，通过不同点电压和水泵实际流量的关系，建立流量-电压关系式，以获取每一点的实际流量；
步骤六：系统温差偏差是由于NTC检测延迟，因为NTC热阻导致在初始时间内不能快速响应检测到实际温度，通过补偿算法计算得到非常接近的实际温度，以减少ΔT偏差。
一种开环即热控制系统的精准控制方法，其特征在于，该步骤一中，能量守恒公式换算得到流量与其他参数之间的关系的过程如下：
Q＝ηPt＝CmΔT
ηPt＝CqρtΔT
其中
Q——热量(J焦耳)
η——效率(供应商提供96％)
C——比热容(水的比热容是4.2*103J/(㎏·℃)即4.2J/(g·℃))注：比热容与温度有关
P——功率(W瓦特)
ρ——密度(水的密度是1g/ml、1g/cm3)注：密度与温度有关
t——时间(s秒)
q——流量(ml/min)
ΔT——温差(℃摄氏度)
该步骤三中，功率P的偏差主要是加热体本身功率的制造偏差和市电电压的影响而造成，通过以下公式：
ηPt＝C′ΔT
η——效率(由实验测定)
C’——总比热容(加热体与加热体内部的水的总比热容)
P——功率(W瓦特)
t——时间(s秒)
q——流量(ml/min)
ΔT——温差(℃摄氏度)
在该步骤四中：热效率的变化，默认情况下的热效率都是指稳态的热效率，但是由于加热体开始启动时，热量会被加热体全部吸收，所以效率时从0到稳态的一个变化，初始阶段增加一个预热步骤，该预热步骤不启动水泵只启动加热体，设该预热步骤的预热时间为t：
ηPt＝C’ΔT
η——效率(由实验测定)
C’——总比热容(加热体与加热体内部的水的总比热容)
P——功率(W瓦特)
t——时间(s秒)
q——流量(ml/min)
ΔT——温差(℃摄氏度)
完成预热过程之后，再按照系统的稳定热效率开始计时加热。
在该步骤五中，系统的流量是通过水泵的电压所控制，通过电压以及对应电压下的水泵流量，建立水泵流量和电压的线性关系，可以通过最小二乘法或者两点联立方程，得到每个电压下实际流量值；
其中两点联立方程，取两个点的电压U1和U2以及通过热量守恒公式，计算出对应电压U1的流量q1和对应电压U2的流量q2，则联立的线性方程组为如下：
q1＝k*U1+B
q2＝k*U2+B
可以算出来k和B
q＝k*U+B
q——流量
k——比例系数
U——水泵电压
B——计算得到的函数参数B
除了电压对流量的固定影响之外，随着使用时间的推移，水泵的流量在相同电压下也会发生老化和损耗而产生变化，更进一步地，在针对这种层面的流量偏差纠正上采用了一种动态学习，并记录的方式来让系统不断更新流量数据量，根据能量守恒计算实时流量，即根据加热体做功等于一定质量的水升温的所耗费的热量，换算出实时流量：
Q——热量(J焦耳)
η——效率(供应商提供96％)
C——比热容(水的比热容是4.2*103J/(㎏·℃)即4.2J/(g·℃))注：比热容与温度有关
P——功率(W瓦特)
ρ——密度(水的密度是1g/ml、1g/cm3)注：密度与温度有关
t——时间(s秒)
q——流量(ml/min)
ΔT——温差(℃摄氏度)
在步骤六中：在系统计算和控制过程中，采用NTC检测温度，但是NTC有热阻，所以水温的变化有一个延迟，才能被NTC检测并反应到数值上给到系统，而这个延迟就会导致系统产生偏差的存在，
根据热传递过程，计算NTC每一时刻的累计换热量：
根据热流密度等于热流量除以导热面积：
得出单位时间内的热流量：
那么根据热流量，乘以加热时间即可得累计换热量：
q——热流密度(w/m2)
Φ——热流量(w)
λ——热导率(w/(m·k))
A——导热面积(m2)
R——热阻(k/w)
δ——厚度(m)
Δt——温差(也叫热压k或者℃)
t——时间
Q——累计换热量；注意使用该公式时注意接触热阻；
计算出某时刻的温度之后将该时刻设定为T0时刻，得到热量输出随时间的方程：
RC为热流响应，C为NTC的热容量，热流响应过程，就是给NTC充热的过程，设t＝0时刻，开始以温差为T的介质为NTC充热，NTC内核的温差为Tc。由基尔霍夫电压定律引申，列出t≥0时热路的微分方程为：
一阶常系数非齐次(T不等于零)微分方程，方程的通解＝方程特解+对应其次方程的通解；上式特解，也就是电路的稳态值或称稳态分量
Tc(∞)＝T
补函数是齐次微分方程
通解解为：
定义τ＝RC
原方程通解为
又t＝0时Tc＝0，带入上式得A＝-T
即原方程通解：
根据环境温度和NTC晶核关系，通过求其反函数得到：
当采取时间间隔t＝0.5，Tc＝34，T＝75，带入计算τ＝0.828，
由于时间测试有时候会有误差，经过多组数据验证t＝0.5时
T＝2Tc
则测试表达式：
T实＝2Tc+T0
T实——0.5s时实际测试温度(℃)
T0——0时刻测试温度
本发明所涉及的开环即热控制系统的精准控制方法，就是将每个关键部件的参数都通过测定和计算的方式确定为已知值，综合以上所涉及的计算方式和测算技术，可以实现开环的精准控制，而不是行业内较为模糊的闭环控制，大幅提升系统精准控制的程度。
【具体实施方式】
下面将结合实施例对本发明进行详细说明，下面通过描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种即热控制系统，包括水泵、进水温度计、加热体、出水温度计、电控板，水泵通过管路往加热体供水，在加热体的入口端设有进水温度计，而在加热体的出水端设有出水温度计，该电控板控制水泵和加热体的启停和功率，采集进水温度计和出水温度计的数值；
采用该即热控制系统进行精准控制的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：利用能量守恒，系统将电能转化为水的热能，通过能量守恒公式能够得到系统的流量关系式：
步骤二：从关系式中确定会影响加热效果、带来系统调节偏差的参数有：功率P、热效率η、流量q、ΔT。
步骤三：将功率P通过自测程序，关联市电电压来测算实际功率P；
步骤四：在系统进行计算时，是按照稳态时的热效率进行，而加热启动的时候，效率会被加热体本身吸收，而不会做功于水，通过增加一个让加热体效率达到稳定的预热过程，以解决热效率η偏差；
步骤五：系统流量通过水泵的电压控制，与电压呈线性关系，通过不同点电压和水泵实际流量的关系，建立流量-电压关系式，以获取每一点的实际流量；
步骤六：系统温差偏差是由于NTC检测延迟，因为NTC热阻导致在初始时间内不能快速响应检测到实际温度，通过补偿算法计算得到非常接近的实际温度，以减少ΔT偏差。
一种开环即热控制系统的精准控制方法，其特征在于，该步骤一中，能量守恒公式换算得到流量与其他参数之间的关系的过程如下：
Q＝ηPt＝CmΔT
ηPt＝CqρtΔT
其中
Q——热量(J焦耳)
η——效率(供应商提供96％)
C——比热容(水的比热容是4.2*103J/(㎏·℃)即4.2J/(g·℃))注：比热容与温度有关
P——功率(W瓦特)
ρ——密度(水的密度是1g/ml、1g/cm3)注：密度与温度有关
t——时间(s秒)
q——流量(ml/min)
ΔT——温差(℃摄氏度)
该步骤三中，功率P的偏差主要是加热体本身功率的制造偏差和市电电压的影响而造成，通过以下公式：
ηPt＝C′ΔT
η——效率(由实验测定)
C’——总比热容(加热体与加热体内部的水的总比热容)
P——功率(W瓦特)
t——时间(s秒)
q——流量(ml/min)
ΔT——温差(℃摄氏度)
市电电压通过电控板上的电压检测测试到，但是由于市电电压会有失真现象，所以不能按照正弦波进行计算，需要用积分公式的定义进行计算
不能使用正弦峰值的计算算法，市面上主要是用这个公式：
u(t)＝Umsin(2πft)
ut—电压瞬时值
Um—电压峰值(最大值311V)
t—时间
f—频率50Hz
在该步骤四中，系统计算时采用的热效率都是稳态的热效率，但是由于加热体开始启动的时候，做功产生的热量会被加热体吸收，所以热效率是一个从0到稳态的效果，通过增加一个预热步骤，该预热步骤不启动是不只启动加热体，预设该预热步骤的预热时间为t，从而避免系统在加热体预热阶段就开始计算对水升温的影响，采用如下公式：
ηPt＝C′ΔT
η——效率(由实验测定)
C’——总比热容(加热体与加热体内部的水的总比热容)
P——功率(W瓦特)
t——时间(s秒)
q——流量(ml/min)
ΔT——温差(℃摄氏度)完成预热过程之后，再按照系统的稳定热效率开始计时加热。
在该步骤五中，系统的流量是通过水泵的电压所控制，通过电压以及对应电压下的水泵流量，建立水泵流量和电压的线性关系，可以通过最小二乘法或者两点联立方程，得到每个电压下实际流量值；
其中两点联立方程，取两个点的电压U1和U2以及通过热量守恒公式，计算出对应电压U1的流量q1和对应电压U2的流量q2，则联立的线性方程组为如下：
q1＝k*U1+B
q2＝k*U2+B
可以算出来k和B
q＝k*U+B
q——流量
k——比例系数
U——水泵电压
B——计算得到的函数参数B
除了电压对流量的固定影响之外，随着使用时间的推移，水泵的流量在相同电压下也会发生老化和损耗而产生变化，更进一步地，在针对这种层面的流量偏差纠正上采用了一种动态学习，并记录的方式来让系统不断更新流量数据量，根据能量守恒计算实时流量，即根据加热体做功等于一定质量的水升温的所耗费的热量，换算出实时流量：
Q——热量(J焦耳)
η——效率(供应商提供96％)
C——比热容(水的比热容是4.2*103J/(㎏·℃)即4.2J/(g·℃))注：比热容与温度有关
P——功率(W瓦特)
ρ——密度(水的密度是1g/ml、1g/cm3)注：密度与温度有关
t——时间(s秒)
q——流量(ml/min)
ΔT——温差(℃摄氏度)
在步骤六中：在系统计算和控制过程中，采用NTC检测温度，但是NTC有热阻，所以水温的变化有一个延迟，才能被NTC检测并反应到数值上给到系统，而这个延迟就会导致系统产生偏差的存在，
根据热传递过程，计算NTC每一时刻的累计换热量：
根据热流密度等于热流量除以导热面积：
得出单位时间内的热流量：
那么根据热流量，乘以加热时间即可得累计换热量：
q——热流密度(w/m2)
Φ——热流量(w)
λ——热导率(w/(m·k))
A——导热面积(m2)
R——热阻(k/w)
δ——厚度(m)
Δt——温差(也叫热压k或者℃)
t——时间
Q——累计换热量；注意使用该公式时注意接触热阻；
计算出某时刻的温度之后将该时刻设定为T0时刻，得到热量输出随时间的方程：
RC为热流响应，C为NTC的热容量，热流响应过程，就是给NTC充热的过程，设t＝0时刻，开始以温差为T的介质为NTC充热，NTC内核的温差为Tc。由基尔霍夫电压定律引申，列出t≥0时热路的微分方程为：
一阶常系数非齐次(T不等于零)微分方程，方程的通解＝方程特解+对应其次方程的通解；上式特解，也就是电路的稳态值或称稳态分量
Tc(∞)＝T
补函数是齐次微分方程
通解解为：
定义τ＝RC
原方程通解为
又t＝0时Tc＝0，带入上式得A＝-T
即原方程通解：
根据环境温度和NTC晶核关系，通过求其反函数得到：
当采取时间间隔t＝0.5，Tc＝34，T＝75，带入计算τ＝0.828，
由于时间测试有时候会有误差，经过多组数据验证t＝0.5时
T＝2Tc
则测试表达式：
T实＝2Tc+T0
T实——0.5s时实际测试温度(℃)
T0——0时刻测试温度
根据测试数据
| 时间 | 出水NTC | 计算温度 |
| 0 | 25 | 93 |
| 0.5 | 59 | 101 |
| 1 | 80 | 98 |
| 1.5 | 89 | 97 |
| 2 | 93 | 97 |
| 2.5 | 95 | 97 |
| 3 | 96 | 98 |
| 3.5 | 97 | 97 |
| 4 | 97 | 99 |
| 4.5 | 98 | 100 |
| 5 | 99 | 99 |
| 5.5 | 99 | 99 |
采取t＝0.5，Tc＝34，T＝75，带入计算τ＝0.828，
由于时间测试有时候会有误差，经过多组数据验证t＝0.5时
T＝2Tc
步骤五中的测试表达式：
T实＝2Tc+T0
T实——0.5s时实际测试温度(℃)
T0——0时刻测试温度。
把以上的几个关键参数代入到系统调节控制过程中，就能够进行加热的精准控制过程。
本发明所涉及的开环即热控制系统的精准控制方法，就是将每个关键部件的参数都通过测定和计算的方式确定为已知值，综合以上所涉及的计算方式和测算技术，可以实现开环的精准控制，而不是行业内较为模糊的闭环控制，大幅提升系统精准控制的程度。
Claims (9)
1.一种开环即热控制系统，其特征在于，该系统包括水泵、进水温度计、加热体、出水温度计、电控板，水泵通过管路往加热体供水，在加热体的入口端设有进水温度计，而在加热体的出水端设有出水温度计，该电控板控制水泵和加热体的启停和功率，采集进水温度计和出水温度计的数值；
2.一种开环即热控制系统的精准控制方法，其特征在于，采用开环控制即热系统进行测试过程，该方法包括以下步骤：
步骤一：利用能量守恒，系统将电能转化为水的热能，通过能量守恒公式能够得到系统的流量关系式：
步骤二：从关系式中确定会影响加热效果、带来系统调节偏差的参数有：功率P、热效率η、流量q、ΔT；
步骤三：将功率P通过自测程序，关联市电电压来测算实际功率P；
步骤四：在系统进行计算时，是按照稳态时的热效率进行，而加热启动的时候，效率会被加热体本身吸收，而不会做功于水，通过增加一个让加热体效率达到稳定的预热过程，以解决热效率η偏差；
步骤五：系统流量通过水泵的电压控制，与电压呈线性关系，通过不同点电压和水泵实际流量的关系，建立流量-电压关系式，以获取每一点的实际流量；
步骤六：系统温差偏差是由于NTC检测延迟，因为NTC热阻导致在初始时间内不能快速响应检测到实际温度，通过补偿算法计算得到非常接近的实际温度，以减少ΔT偏差。
3.根据权利要求2所述开环即热控制系统的精准控制方法，其特征在于，该步骤一中，能量守恒公式换算得到流量与其他参数之间的关系的过程如下：
Q＝ηPt＝CmΔT
ηPt＝CqρtΔT
其中
Q——热量(J焦耳)
η——效率
C——比热容(水的比热容是4.2*103J/(㎏·℃)即4.2J/(g·℃))注：比热容与温度有关
P——功率(W瓦特)
ρ——密度(水的密度是1g/ml、1g/cm3)注：密度与温度有关
t——时间(s秒)
q——流量(ml/min)
ΔT——温差(℃摄氏度)
4.根据权利要求2所述开环即热控制系统的精准控制方法，其特征在于，该步骤三中，功率P的偏差主要是加热体本身功率的制造偏差和市电电压的影响而造成，通过以下公式：
ηPt＝C′ΔT
η——效率(由实验测定)
C’——总比热容(加热体与加热体内部的水的总比热容)
P——功率(W瓦特)
t——时间(s秒)
q——流量(ml/min)
ΔT——温差(℃摄氏度)
5.根据权利要求2所述开环即热控制系统的精准控制方法，其特征在于，该步骤四中，初始阶段增加一个预热步骤，该预热步骤不启动水泵只启动加热体，设该预热步骤的预热时间为t：
ηPt＝C’ΔT
η——效率(由实验测定)
C’——总比热容(加热体与加热体内部的水的总比热容)
P——功率(W瓦特)
t——时间(s秒)
q——流量(ml/min)
ΔT——温差(℃摄氏度)
完成预热过程之后，再按照系统的稳定热效率开始计时加热。
6.根据权利要求2所述开环即热控制系统的精准控制方法，其特征在于，在该步骤五中，系统的流量是通过水泵的电压所控制，通过电压以及对应电压下的水泵流量，建立水泵流量和电压的线性关系，可以通过最小二乘法或者两点联立方程，得到每个电压下实际流量值；
7.根据权利要求6所述开环即热控制系统的精准控制方法，其特征在于，在计算流量与电压的线性关系中，其中两点联立方程，取两个点的电压U1和U2以及通过热量守恒公式，计算出对应电压U1的流量q1和对应电压U2的流量q2，则联立的线性方程组为如下：
q1＝k*U1+B
q2＝k*U2+B
可以算出来k和B
q＝k*U+B
q——流量
k——比例系数
U——水泵电压
B——计算得到的函数参数B
8.根据权利要求6所述开环即热控制系统的精准控制方法，其特征在于，采用了一种动态学习，并记录的方式来让系统不断更新流量数据量，根据能量守恒计算实时流量，即根据加热体做功等于一定质量的水升温的所耗费的热量，换算出实时流量：
Q——热量(J焦耳)
η——效率
C——比热容(水的比热容是4.2*103J/(㎏·℃)即4.2J/(g·℃))注：比热容与温度有关
P——功率(W瓦特)
ρ——密度(水的密度是1g/ml、1g/cm3)注：密度与温度有关
t——时间(s秒)
q——流量(ml/min)
ΔT——温差(℃摄氏度)
9.根据权利要求2所述开环即热控制系统的精准控制方法，其特征在于，在步骤六中：在系统计算和控制过程中，采用NTC检测温度，根据热传递过程，计算NTC每一时刻的累计换热量；
根据热流密度等于热流量除以导热面积：
得出单位时间内的热流量：
那么根据热流量，乘以加热时间即可得累计换热量：
q——热流密度(w/m2)
Φ——热流量(w)
λ——热导率(w/(m·k))
A——导热面积(m2)
R——热阻(k/w)
δ——厚度(m)
Δt——温差(也叫热压k或者℃)
t——时间
Q——累计换热量；注意使用该公式时注意接触热阻；
计算出某时刻的温度之后将该时刻设定为T0时刻，得到热量输出随时间的方程：RC为热流响应，C为NTC的热容量，热流响应过程，就是给NTC充热的过程，设t＝0时刻，开始以温差为T的介质为NTC充热，NTC内核的温差为Tc。由基尔霍夫电压定律引申，列出t≥0时热路的微分方程为：
一阶常系数非齐次(T不等于零)微分方程，方程的通解＝方程特解+对应其次方程的通解；上式特解，也就是电路的稳态值或称稳态分量
Tc(∞)＝T
补函数是齐次微分方程
通解解为：
定义τ＝RC
原方程通解为
又t＝0时Tc＝0，带入上式得A＝-T
即原方程通解：
根据环境温度和NTC晶核关系，通过求其反函数得到：
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Also Published As
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Application publication date: 20221101 Assignee: Shenzhen Angel Environmental Protection Technology Co.,Ltd. Assignor: SHENZHEN ANGEL DRINKING WATER INDUSTRIAL Group Corp. Contract record no.: X2024980016414 Denomination of invention: A precise control method for open-loop instant heating control system Granted publication date: 20240315 License type: Common License Record date: 20240925 |