一种控温装置对流动液体温度的控温方法

技术领域

本发明涉及饮水机温控技术领域，具体提供一种控温装置对流动液体温度的控温方法。

背景技术

现有技术对液体的控温一般通过PID算法，根据当前温度与目标温度的差值，对输出的加热/制冷功率以及液体的流量进行动态调节，该技术的基本特点为通过较长时间的整定使温度慢慢稳定在预设的范围内，在加热时间较长的静止液体和单次流动时间较长的流动液体中的应用已较为成熟，但在针对流动液体的即热或即冷控温上，一般要求极短的时间内(数秒内)温度即达到预设温度并保持稳定且单次出水时间较短，如果预设温度在液体的沸点或凝固点附近时，更需要严格控制过冲(如加热功率为2200W的即热饮水机将400毫升25摄氏度的常温水在60秒内输出为97摄氏度的热水)。此时控温的影响因素有初始液体温度、加热/制冷输出功率误差、流量计量误差、流量控制误差、不同外部环境下的功率损失偏差、温度传感器反馈的滞后时间、流道水阻等变量，目前在即热/即冷控温领域一般采用PID方法控温并采取尽可能多的控制上述影响因素的出厂误差或放大控温误差范围的方式进行妥协式处理，增加了生产成本或影响了用户体验。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种流动液体温度的控温方法，通过记录分析之前的控温参数，用于指导当前控温参数的设置。

本发明是这样实现的，提供一种控温装置对流动液体温度的控温方法，包括如下步骤：

1)首次控温时，根据初始条件设置控温装置开始时初始的流量和功率；

2)控温过程中，根据即时的检测温度和目标温度的差值进行控温装置流量和功率的调整；

3)首次控温结束后，记录首次控温过程中流量和输出功率的统计平均值，并比对首次控温过程中的检测温度的统计平均值与目标温度的差值，根据流量和输出功率的统计平均值、检测温度的统计平均值与目标温度的差值获取下次相同目标温度控温开始时控温装置的初始流量和功率；

4)下次控温过程中，循环执行步骤2)和步骤3)。

优选地，所述步骤1)中，初始条件包括：

控温设备经过功率控制电路后实际加热/制冷输出功率相对于理论输出功率误差系数α，控温设备经过流量采集硬件采集的实际液体流量相对于理论流量计量误差系数β，控温设备经过流量控制电路和流量控制外设组件的控制后的实际流量相对于理论流量误差系数γ，控温设备在当前所处环境下进行目标温度控制时的功率损失系数δ，控温设备进行目标温度控制时温度传感器反馈出实际温度的滞后时间Thys，控温设备流道水阻与该设备流量水阻平均值差异值η；待控温液体的比热容C，待控温液体的密度ρ。

进一步优选，根据初始条件，设置控温装置首次控温开始时初始的流量和功率的方法为：

101)根据基本控温模型：

ΔT＝Ttarget-RTl

α*δ*W＝ρ*β*γ*η*Q*C*ΔT

则ΔT＝α*δ*W/(ρ*β*γ*η*Q*C)，

其中，ΔT为温度变化值，Ttarget为目标温度，RT1为初始液体温度，W为控温开始时初始输出功率，Q为控温开始时初始流量；

102)当设备首次控温时：

如果ΔT>α*δ*Wmax/(ρ*β*γ*η*Qmax*C)，则设置W＝Wmax，Q＝α*δ*Wmax/(ρ*β*γ*η*C*ΔT)；

其中，Wmax为控温装置输出功率最大限值，Qmax为控温装置流量最大限值；

如果ΔT<α*δ*Wmax/(ρ*β*γ*η*Qmax*C)，则Q＝Qmax，W＝ρ*β*γ*η*Qmax*C*ΔT/(α*δ)。

进一步优选，步骤2)中，在控温过程中，根据即时的检测温度和目标温度的差值进行控温装置流量和功率的调整方法为：

201)每隔Tntc的时间检测一次液体的即时温度，将前一次检测到的温度Ttest1与本次检测到的温度Ttest2进行比较得到差值ΔT1，再将本次检测到的温度Ttest2与Tntc时间后检测到的温度Ttest3进行比较得到差值ΔT2，其中Tntc为温度检测时间间隔，将ΔT1、ΔT2与温度变化率范围相比较，温度变化率范围依照控温装置控温精度和达到温度稳定范围的速度共同确定，范围在1～5℃；

202)如果ΔT2>变化率范围或ΔT1>变化率范围，维持Qcurrent和Wcurrent，其中Qcurrent为控温执行过程中当前流量，Wcurrent为控温执行过程中当前输出功率；

203)如果ΔT1、ΔT2均小于等于变化率范围且Ttest3≥Ttarget且Qcurrent＝Qmax，将Ttest3和Ttarget的差值进行比较，如果差值>E，Wcurrent＝Wcurrent-We，Wcurrent≤Wmin时，Wcurrent＝Wmin，也就是检测温度比目标温度高，且功率未达到最小限值时，降低功率；如果差值≤E，维持Qcurrent和Wcurrent；其中，E为目标温度的最大允许偏差值，We为每次功率调整量，Wmin为输出功率最小限值；

204)如果ΔT1、ΔT2均小于等于变化率范围且Ttest3≥Ttarget且QcurrentE，Qcurrent＝Qcurrent+Qe，Qcurrent≥Qmax时，Qcurrent＝Qmax，也就是检测温度比目标温度高且流量未达到最大限值时，增加流量；如果差值≤E，维持Qcurrent和Wcurrent；其中，Qe为每次流量调整量；

205)如果ΔT1、ΔT2均小于等于变化率范围且Ttest3E，Qcurrent＝Qcurrent-Qe，Qcurrent≤Qmin时，Qcurrent＝Qmin，也就是检测温度比目标温度低且流量未达到最小限值时，降低流量；如果差值≤E，维持Qcurrent和Wcurrent；其中，Qmin为流量最小限值；

206)如果ΔT1、ΔT2均小于等于变化率范围且Ttest3E，Wcurrent＝Wcurrent+We，Wcurrent≥Wmax时，Wcurrent＝Wmax，也就是检测温度的比目标温度低且功率未达到最大限值时，升高功率；如果差值≤E，维持Qcurrent和Wcurrent。

进一步优选，步骤3)中，下次相同目标温度控温开始时控温装置的初始流量和功率为：Q＝Qaverage；W＝Waverage，其中Qaverage为上一次控温执行过程中所有即时检测的Qcurrent的统计平均值，Waverage为上一次控温执行过程中所有即时检测的Wcurrent的统计平均值。

进一步优选，步骤3)中，下次相同目标温度控温开始时控温装置的初始流量和功率的获取方法为：

Q＝Qmax，上一次控温过程中的Ttarget≥Taverage时，W＝上一次控温执行过程中Wcurrent的统计平均值Waverage+(Ttarget-Taverage)*系数e1；上一次控温过程中的Ttarget

W＝Wmax，上一次控温过程中的Ttarget≥Taverage时，Q＝上一次控温执行过程中Qcurrent的统计平均值Qaverage-(Ttarget-Taverage)*系数e2；上一次控温过程中的Ttarget

进一步优选，在上述方法中：

功率通过调整加热器件电源的导通和关断周期进行控制；

流量通过调整抽水泵的转速、电压、流量调节阀的开度、阀门的开关频率中的一种或几种方式进行控制；

Qe为固定值或根据Ttest与Ttarget的差值×系数e2确定；

We为固定值或根据Ttest与Ttarget的差值×系数e1确定。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的控温方法中，将每一次的控温行为和上一次的控温效果进行关联，当前设备所有与控温有关的因素在几次出水后会简化为由输出功率和输出流量两个变量进行控制，每次出水完成后，会将输出功率和输出流量记录下来用于下次控温时输出功率和输出流量的基准，如此以来，每台设备的控温温度会随着使用次数的增多，达到目标温度所需要的时间也会越来越短，且当设备与控温有关的任何因素发生变化或波动时，输出功率和输出流量会根据检测温度与目标温度的差异做出对应的调整并同样记录下来用于下次控温时输出功率和输出流量的基准，如此以来，在设备硬件参数或外部环境变化时，设备也能够通过这种学习上一次控温参数的方式进行自主调整以适应设备硬件参数或外部环境的变化。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1、

本实施例以控制一台使用桶装水作为水源、最大流量为400ml/min、最大功率为2000W的即热饮水机每次出95℃水1分钟为目标进行控温方法的具体说明：

该即热饮水机的功率通过参数为800V，24A可控硅周期性通断进行控制，可控硅开关总周期为20～400ms(周期内可控硅打开时间固定为20ms，即当总周期为20ms时，输出功率最大)；水量通过额定电压为12V的抽水泵进行控制，可以通过降低抽水泵的供电电压间接达到降低转速从而达到降低出水流量的目的。

在程序中赋值如下参数：目标温度Ttarget＝95℃；温度检测时间间隔Tntc＝1s；目标温度的最大允许偏差为E＝3℃；桶装水内初始水温RT1＝20℃；Qmax＝12V，流量最小限值Qmin＝6V，每次调整量Qe＝0.2V，该即热饮水机能够达到的流量调节最小单位的倍率系数e2＝0.05V；输出功率最大限值Wmax＝20ms，输出功率最小限值Wmin＝400ms，每次调整量We＝10ms，该即热饮水机能够达到的功率调节最小单位的倍率系数e1＝5ms；经过功率控制电路后实际加热/制冷输出功率相对于理论输出功率误差系数α＝1.0，经过流量计采集的流量相对于理论流量计量误差系数β＝1.0，经过流量控制电路和流量控制外设控制后的实际流量相对于理论流量误差系数γ＝1.0，在当前所处环境下进行目标温度控制时的功率损失系数δ＝0.98；进行目标温度控制时温度传感器反馈出实际温度的滞后时间Thys＝1s，当前设备流道水阻与该型号设备流量水阻平均值差异值η＝1.0；待控温液体的比热容C＝4200，密度ρ＝1.0；

根据基本控温模型：

温升ΔT＝95-20＝75；δ*W/Q/C＝0.98*120000/0.4/4200＝70(计算时，功率单位等效转换为J/kg/℃、流量单位等效转换为kg/min)；

1)当饮水机首次控温时，由于ΔT【75】>α*δ*Wmax/(ρ*β*γ*η*Qmax*C)【70】，则设置Wcurrent＝Wmax＝20ms(设置程序参数时，功率单位等效转换为可控硅的开关周期ms)，Qcurrent＝α*δ*Wmax/(ρ*β*γ*η*C*ΔT)＝9V(设置程序参数时，流量单位等效转换为抽水泵电压V)，饮水机以上述设置好的参数开始出水，出水过程中按照如下方式进行功率和流量参数调整：

每秒检测一次出水口温度，将本次检测到的温度与前一次检测到的温度进行比较得到差值ΔT1，再将本次监测到的温度与1秒后检测到的温度进行比较得到差值ΔT2，如果【ΔT1>2或ΔT2>2】或【ΔT1、ΔT2均小于等于2且-3≤Ttest-95≤3】或【Wcurrent＝20ms、Qcurrent＝6V】或【Wcurrent＝400ms、Qcurrent＝12V】，维持Wcurrent、Qcurrent不变；如果ΔT1、ΔT2均小于等于2，且Ttest-95>3且Qcurrent<12V，则维持Wcurrent不变，设置Qcurrent＝Qcurrent+0.2；如果ΔT1、ΔT2均小于等于2，且95-Ttest>3且Wcurrent＝20ms，则维持Wcurrent不变，设置Qcurrent＝Qcurrent-0.2；如果ΔT1、ΔT2均小于等于2，且Ttest-95>3且Qcurrent＝12V，则维持Qcurrent不变，设置Wcurrent＝Wcurrent+10；如果ΔT1、ΔT2均小于等于2，且95-Ttest>3且Wcurrent>20ms，则维持Qcurrent不变，设置Wcurrent＝Wcurrent-10。1分钟出水结束后,计算本次出水的统计平均值为Taverage＝86℃、Waverage＝20ms、Qaverage＝8.2V。

2)设备再次出水时，设置W＝上一次出水Waverage＝20ms、Q＝上一次出水Qcurrent-(Ttarget-Taverage)*系数e2＝8.2V-(95-86)*0.05V＝7.75V。

3)出水过程中依照步骤1中同样的方式进行功率和流量参数调整，1分钟出水结束后,计算本次出水的统计平均值为Taverage＝94℃、Waverage＝20ms、Qaverage＝7.6V，设备再次出水时，依照步骤2中同样的方式进行再次出水前的参数计算设置W＝上一次出水Waverage＝20ms、Q＝上一次出水

Qcurrent-(Ttarget-Taverage)*系数e2＝7.6V-(95-94)*0.05V＝7.55V。

4)设备在使用过程中初始液体温度从20℃变化为了25℃、流量误差系数γ从1.0变化为了1.2、功率损失系数δ从0.98变化为了0.94，按照步骤3的参数出水检测温度与目标温度会发生偏差，但此时我们无需逐个参数进行探测和修正，还是依照步骤1中同样的方式进行功率和流量参数调整后再依照步骤2中同样的方式进行再次出水前的参数计算，经过几次出水的学习数据记录、分析和学习后，出水检测温度与目标温度的一致性会越来越高。

实施例2、

本实施例以控制一台使用管道直饮水作为水源、最大流量为600ml/min、最大功率为1600W的即热饮水机每次出45℃水1分钟为目标进行控温方法的具体说明：

该即热饮水机的功率通过四个参数为250V，10A的继电器组合通断进行控制(每多打开一个继电器，功率增加25％，四个继电器全开时，输出功率为100％最大)；水量通过电动流量调节阀进行控制，可以通过马达旋转控制流量调节阀的开度间接达到降低转速从而达到降低出水流量的目的(开度范围为45～300度)。

在程序中赋值如下参数：目标温度Ttarget＝45℃；温度检测时间间隔Tntc＝1s；目标温度的最大允许偏差为E＝3℃；桶装水内初始水温RT1＝20℃；Qmax＝300度，流量最小限值Qmin＝60度，每次调整量Qe＝1度，该即热饮水机能够达到的流量调节最小单位的倍率系数e2＝0.5度；输出功率最大限值Wmax＝100％，输出功率最小限值Wmin＝25％，每次调整量We＝25％，该即热饮水机能够达到的功率调节最小单位的倍率系数e1＝25％；经过功率控制电路后实际加热/制冷输出功率相对于理论输出功率误差系数α＝1.0，经过流量计采集的流量相对于理论流量计量误差系数β＝1.0，经过流量控制电路和流量控制外设控制后的实际流量相对于理论流量误差系数γ＝1.0，在当前所处环境下进行目标温度控制时的功率损失系数δ＝0.99；进行目标温度控制时温度传感器反馈出实际温度的滞后时间Thys＝1s，当前设备流道水阻与该型号设备流量水阻平均值差异值η＝1.0；待控温液体的比热容C＝4200，密度ρ＝1.0；

根据基本控温模型：

温升ΔT＝45-20＝25；δ*W/Q/C＝0.99*96000/0.6/4200＝37.7(计算时，功率单位等效转换为J/kg/℃、流量单位等效转换为kg/min)；

1)当饮水机首次控温时，由于ΔT【25】<α*δ*Wmax/(ρ*β*γ*η*Qmax*C)【37.7】，则设置Q＝Qmax＝300度(设置程序参数时，流量单位等效转换为流量调节阀开度度)，W＝Wcurrent＝(ρ*β*γ*η*Qmax*C*ΔT)/(α*δ)＝75％(设置程序参数时，功率单位等效转换为输出功率百分比)，饮水机以上述设置好的参数开始出水，出水过程中按照如下方式进行功率和流量参数调整：

每秒检测一次出水口温度，将本次检测到的温度与前一次检测到的温度进行比较得到差值ΔT1，再将本次监测到的温度与1秒后检测到的温度进行比较得到差值ΔT2，如果【ΔT1>2或ΔT2>2】或【ΔT1、ΔT2均小于等于2且-3≤Ttest-45≤3】或【Wcurrent＝100％、Qcurrent＝60度】或【Wcurrent＝25％、Qcurrent＝300度】，维持Wcurrent、Qcurrent不变；如果ΔT1、ΔT2均小于等于2，且Ttest-45>3且Qcurrent<300度，则维持Wcurrent不变，设置Qcurrent＝Qcurrent+1；如果ΔT1、ΔT2均小于等于2，且45-Ttest>3且Wcurrent＝100％，则维持Wcurrent不变，设置Qcurrent＝Qcurrent-1；如果ΔT1、ΔT2均小于等于2，且Ttest-45>3且Qcurrent＝300度，则维持Qcurrent不变，设置Wcurrent＝Wcurrent-25％；如果ΔT1、ΔT2均小于等于2，且45-Ttest>3且Wcurrent≤100％，则维持Qcurrent不变，设置Wcurrent＝Wcurrent+25％。1分钟出水结束后,计算本次出水的统计平均值为Taverage＝46℃、Waverage＝100％、Qaverage＝280度。

2)设备再次出水时，设置W＝上一次出水Waverage＝100％、Q＝上一次出水Qaverage＝280度。

3)设备在使用过程中初始液体温度从20℃变化为了25℃、流量误差系数γ从1.0变化为了1.2、功率损失系数δ从0.99变化为了0.95，按照步骤2的参数出水检测温度与目标温度会发生偏差，但此时我们无需逐个参数进行探测和修正，还是依照步骤1中同样的方式进行功率和流量参数调整后再依照步骤2中同样的方式进行再次出水前的参数计算，经过1～2次出水的学习数据记录、分析和学习后，出水检测温度与目标温度的即会重新趋于一致。

上面对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。