精準(zhǔn)恒溫控制在智能坐便器上的研究與應(yīng)用

哈建文 范欣 梅吉超 鄧曦

本文通過對智能坐便器產(chǎn)品的研發(fā)，探索如何實(shí)現(xiàn)智能坐便器上的精準(zhǔn)恒溫控制。采用數(shù)據(jù)分析和部分實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，結(jié)合數(shù)學(xué)模型，給出控制算法。并且本文提出的思路可拓展應(yīng)用于其余涉及恒溫控制的產(chǎn)品上。

精準(zhǔn)恒溫控制;活水即熱;坐圈控溫;溫度波動(dòng)

引言

水洗替代衛(wèi)生紙，引發(fā)了一場衛(wèi)浴革命，電子衛(wèi)浴已成為衛(wèi)浴行業(yè)的新寵兒，科技、方便、衛(wèi)生成為新時(shí)代衛(wèi)浴標(biāo)簽，智能坐便器便是這更新?lián)Q代的革命性產(chǎn)物。眾所周知，無紙化溫水清洗、溫暖便座已是智能坐便器的基本功能，因其接觸的是人體非常敏感的部位，活水即熱、恒溫坐圈帶給使用者最直觀的感受在于溫度的穩(wěn)定。

本文提出一種精準(zhǔn)恒溫控制方式，在結(jié)合模糊算法和PID控制的優(yōu)勢基礎(chǔ)上，根據(jù)應(yīng)用場景、產(chǎn)品特性，通過產(chǎn)品實(shí)例實(shí)測表明該控制方式應(yīng)用在智能坐便器上的優(yōu)越性及其是可作為各恒溫產(chǎn)品控制的良好支撐技術(shù)。

（一）精準(zhǔn)恒溫控制之活水即熱篇

如圖1，活水即熱即是在需要溫水的時(shí)候，冷水從加熱管流過，通過加熱信號(hào)控制達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度，這是一個(gè)溫度逐漸逼近設(shè)定值的過程，在此過程中溫度都會(huì)在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，一旦出現(xiàn)較大波動(dòng)，又需要一段時(shí)間才能達(dá)到設(shè)定值，恒溫的本質(zhì)則是波動(dòng)范圍越小越好，波動(dòng)越小，使用者體驗(yàn)越舒適。針對即熱式智能坐便器，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求溫度波動(dòng)控制在±2℃以內(nèi)，整機(jī)廠家要求在±1℃以內(nèi)，因此我們按更嚴(yán)格的要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制溫度波動(dòng)在±0.5℃內(nèi)，對活水即熱進(jìn)行剖析與研究發(fā)現(xiàn)，其溫度波動(dòng)受溫度傳感器檢測、流量變化的影響，關(guān)鍵點(diǎn)在于溫度的檢測精度和加熱功率的控制精度。

溫度的檢測精度按照0.1℃進(jìn)行。溫度傳感器規(guī)格書提及的阻值表一般是1℃一個(gè)數(shù)值，阻值的偏差一般為1%，那怎么實(shí)現(xiàn)0.1℃精度測量呢？溫度傳感器的阻值整體上是非線性關(guān)系，但阻值必定是連續(xù)的，而阻值偏差只會(huì)影響溫度準(zhǔn)確度，對溫度波動(dòng)不造成影響，因此我們將相鄰兩度之間的阻值變化和溫度進(jìn)行線性對應(yīng)來使計(jì)算達(dá)到0.1℃精度。此外，溫度檢測采用循環(huán)均值法，每8毫秒采樣1次，獲取最近4次采樣的均值計(jì)算當(dāng)前溫度值。

基于所需加熱功率與水的體積、溫升成正比關(guān)系，加熱功率的調(diào)整幅度（即控制精度）影響溫度波動(dòng)，功率的設(shè)置和調(diào)整的響應(yīng)速度決定其控制精度。為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的功率控制，引入無級(jí)調(diào)節(jié)概念，設(shè)置劃分模擬等級(jí)，做到平滑過渡，避免階躍變化帶來的波動(dòng)。

如圖2，主芯片通過檢測交流電的過零點(diǎn)，來輸出控制信號(hào)，以確定本周期加熱管是否進(jìn)行加熱;50HZ的交流電提供100Hz的過零信號(hào)，每個(gè)過零信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)一次加熱的控制，所以在1秒內(nèi)，可將加熱等級(jí)劃分為100級(jí)，根據(jù)加熱的等級(jí)來決定1秒內(nèi)需要加熱多少個(gè)周期。若實(shí)現(xiàn)的最大加熱功率為2KW，1級(jí)則對應(yīng)20W，如此，每級(jí)對應(yīng)功率較小，在調(diào)整時(shí)可有效抑制溫度波動(dòng)。

此處計(jì)算的功率僅是理論上的加熱功率，由于傳感器、加熱管器件本身的差異、檢測的偏差等不可控因素的存在，則引入微調(diào)手段作保障。在加熱等級(jí)的控制處理上，需要在100個(gè)周期當(dāng)中均勻的分布加熱控制信號(hào)，以此保證微調(diào)等級(jí)快速自然的切換，同時(shí)還需要均勻分布正負(fù)電流，保證EMC測試。具體的控制流程圖如下圖3。

如圖4是精準(zhǔn)恒溫控制方式應(yīng)用前與應(yīng)用后實(shí)際測試的水溫波動(dòng)曲線。從曲線可看出溫度波動(dòng)有明顯的改善，溫度波動(dòng)也控制在±0.5℃內(nèi)，有效地實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)恒溫控制。

（二）精準(zhǔn)恒溫控制之坐圈控溫篇

溫暖便座的應(yīng)用，給使用者提供了舒適的體感體驗(yàn)，尤其在冬日，帶來一份溫暖。坐圈加熱是坐圈內(nèi)置加熱絲，以對其殼體進(jìn)行加熱，高于目標(biāo)溫度則加熱斷開，低于目標(biāo)溫度則加熱導(dǎo)通。由于加熱絲內(nèi)置的封閉性和外殼的裸露性以及加熱絲有加熱慣性，隨著環(huán)境溫度的變化，會(huì)造成加熱和散熱均衡關(guān)系的不一致性，溫度傳感器的數(shù)據(jù)與坐圈表面的溫度受環(huán)境溫度的影響，并非一一對應(yīng)的關(guān)系。為了保證在不同的環(huán)境溫度下，坐圈的表面溫度都能達(dá)到設(shè)定的溫度，因此提出了一套理論方法進(jìn)行研究，旨在通過此方法減小坐圈表面溫度受環(huán)境溫度的影響，實(shí)現(xiàn)對坐圈的恒溫控制。

理論的基本原理是根據(jù)加熱占空比與溫升的正比關(guān)系，通過占空比計(jì)算理論的溫升值，再反向推理計(jì)算環(huán)境溫度的理論值，之后結(jié)合實(shí)測的散熱因子，得出理論溫度偏移量，以此修正目標(biāo)溫度。具體的控制流程圖如下圖5。

如下表1（應(yīng)用前）、表2（應(yīng)用后）所示，內(nèi)容為不同環(huán)境溫度下（10℃～25℃）實(shí)驗(yàn)測試坐圈溫度的數(shù)據(jù)表。如下數(shù)據(jù)看出，不同環(huán)境溫度下，坐圈的表面溫度都能達(dá)到設(shè)定的溫度，環(huán)境越低時(shí)，表現(xiàn)得效果越明顯。

參考文獻(xiàn)

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