液体加热沸腾的模糊控制方法及控制器

摘要

一种液体加热沸腾的模糊控制方法，该方法利用温度传感器测量被加热液体的温度，并在恒定功率下进行加热，使该液体温度上升到一个预加热温度或液体沸腾温度，温度传感器于最开始获得液体的初始温度值，然后将初始温度值与液体沸腾温度或预加热温度进行比较后，进行加热，按照程序预设的采样周期测量被加热液体的温度，计算加热过程的加热升温速度，通过加热升温速度来间接确定被加热液体的量，并根据加热升温速度在接近或达到沸腾温度时变慢的原理，按照模糊逻辑的规则，判定和控制液体加热的沸腾。按照本发明提供的控制方法设计的液体加热沸腾的控制器，包括加热器、传感器和控制电路，控制电路中包含有一芯片。

说明书

技术领域

本发明涉及一种液体加热沸腾的模糊控制方法及控制器，特别是一种用于具有固定沸点的液体加热至沸腾的模糊控制方法及按照这种方法设计的控制器。

背景技术

液体加热的温度控制方法各种各样，有些是要求加热至某一特定温度，有些是要求加热至沸腾，被加热的液体通常状况下都具有固定的沸点，例如，水的沸腾温度和汽化温度理论值都是100℃。

常见的电热类家用电器中，用于液体加热的电器主要有：电开水器、电茶壶、电热开水瓶、咖啡壶、快速电热水壶和电热水器等等；其中主要的温度控制器有：热电偶温控器、双金属机械温控器、金属变形碟片式温控器和电子式或微电脑控温器等等。这些温度控制器在电热类家用电器上得到了大量的应用，大多数液体加热电热类电器都要求将液体加热至沸腾、并进行控温。在工业生产过程中，同样也有需要将液体加热至沸腾，并保持一段时间来消毒及杀菌。

然而，温控器的控制精度因其材质本身、电子元器件制造误差、温控器安装位置及感温灵敏度等有关；在实际应用中，用现有的温度控制器来控制液体加热的沸腾温度，经常会出现被加热的液体还未达到沸腾温度，温控器就动作，进行控温而不再继续加热，被加热液体的温度只是非常接近沸腾温度，而不能使被加热液体加热至沸腾；或者当被加热液体已经沸腾，还不能控温而继续加热，使被加热液体大量汽化，并浪费大量能源。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种液体加热沸腾的模糊控制方法，及按照这种控制方法设计的控制器，它的原理是：根据液体加热至沸腾时，被加热液体的温度升高速度逐渐变慢，直至当达到或接近液体沸腾温度时，温度几乎不再变化的原理，通过传感器测温及采样，按照模糊逻辑的规则，判断被加热液体是否沸腾，当满足被加热液体沸腾的条件时，控制加热器停止加热，从而达到控制将液体加热至沸腾的目的。

按此目的设计的一种液体加热沸腾的模糊控制方法，该方法利用温度传感器测量被加热液体的初始温度，然后在恒定功率下进行加热，使该液体温度上升到一个预加热温度T_y，温度传感器于最开始获得液体的初始温度值t₀，然后将t₀与液体沸腾温度T_f或预加热温度T_y进行比较后，再继续进行加热；按照程序预设的采样周期测量被加热液体的温度，计算加热过程的加热升温速度，通过加热升温速度来间接确定被加热液体的量，并根据加热升温速度确定达到预加热温度T_y或液体温度达到T_f需要的加热时间，并继续此加热过程的周期采样，然后比较加热过程的升温速度，最后计算出液体沸腾的隶属度函数值，通过模糊规则判定液体是否沸腾；其中的T_y＝1/k T_f，一般k＞1.5。

首先，被加热液体与温度传感器取得热平衡，加热器先不加热，传感器能真实感应被加热液体的初始温度，并取得一个初始温度值t₀，以作为后面模糊推理的依据。

该方法利用温度传感器测量被加热液体在恒定功率下进行加热的温度，将初始温度值t₀与液体沸腾温度T_f或预加热温度T_y进行比较，区分是液体的冷态加热还是已沸腾液体的再加热。

当被加热液体的初始温度t₀低于预加热温度点T_y时，则开始连续加热，按照程序预设固定的采样周期测量被加热液体的温度，加热到预加热温度点T_y，并计算加热过程的升温速度，通过加热升温速度来间接确定被加热液体的量，并根据加热升温的速度确定达到预加热温度点以后，继续以后的加热过程及其采样周期；在T_y以上加温过程记录升温速度；

当传感器测得的被加热液体温度在预加热温度点T_y，T_y＝1/k T_f和可判断为已沸腾液体再加热的温度T_f-ε之间时，可在初始温度数值上，加热到温度低于或等于T_f-ε的温度增量，并计算加热过程的升温速度，通过此加热升温速度来间接确定被加热液体的量，并根据加热升温的速度确定后面加热过程的采样周期，其中的T_y≤1/k T_f，k＞1.5，ε为一较小的温度值，ε≤5℃。

当温度传感器测得被加热液体的初始温度接近于沸腾温度T_f-ε时，则可判定是已沸腾液体的再加热，加热升高一个温度增量，记录温度增量的时间，再计算加热至完全沸腾的时间，并再加热，按照已沸腾液体再加热的程序控制，加热到接近沸腾温度时，根据升温速度，再确定一个加热至沸腾的加热时间；

液体在恒定功率下进行加热时，可按以下模糊规则进行判定：

启动加热后，若温度传感器测得液体的初始温度：t₀＜1/k T_f，则加热至预加热温度，根据加热的速度，确定后面继续加热的测温采样周期，在1/k T_f以上加热过程记录升温速度；

启动加热后，若温度传感器测得液体的初始温度：1/k T_f≤t₀＜T_f-ε，则加热到温度低于T_f-ε的一个温度增量值，根据液体加热温度升高的速度，确定后面加热的测温采样周期，再记录升温速度；

启动加热后，若温度传感器测得液体的初始温度：T₀＞T_f-ε，则判定液体为已沸腾过的液体再加热，加热升高一个温度增量，记录温度增量的时间，再计算加热至完全沸腾的时间，并再加热；

液体在恒定功率下被加热时，开始记录升温速度，若温度传感器按照采样周期测得升温速度，累积计算的液体沸腾的隶属度函数μ(ΔT，t)＜K，则液体还未沸腾，继续加热；如果μ(ΔT，t)≥K，则判定液体已沸腾，控制加热器停止加热，结束加热程序并复位，其中的K＜1。

由于液体在恒定功率下进行加热时，受环境温度的影响，当被加热的液体温度升高后，散热的速度逐渐加快，因此，液体加热过程中实际的升温速度是逐渐变慢的；

设液体加热到预加热温度T_y，其中T_y＝1/k T_f，一般k＞1.5，

最开始记录升温速度的时间设定为t₀，

有效采样的时间集合为：{t₁，t₂，………t_n-1，t_n}，

与此分别测得的温升差的集合为{ΔT₁，ΔT₂，………ΔT_n-1，ΔT_n}，

设液体加热升温速度的平均值为ΔT，

按照模糊逻辑的方法，设液体沸腾的特征函数为χΔT(t)，

液体沸腾的隶属度函数为μ(ΔT，t)，

则        ΔT＝∑ΔT_i/n  (i＝1，2，……n)

          χΔT(t)＝ΔT_i/ΔT

液体沸腾的隶属度函数μ(ΔT，t)＝1-χ ΔT(t)＝1-ΔT_i/ΔT

在液体加热过程中，升温的速度越来越慢，特别是接近沸腾时，

因此，ΔT_i＜ΔT  其中0＜χΔT(t)≤1

从而可以得出：0＜μ(ΔT，t)≤1

若液体沸腾的隶属度函数μ(ΔT，t)＝1，则ΔT_i＝0，可以认为液体完全沸腾，即继续加热时，液体的温度不再升高，完全处于加热汽化状态。

本发明在不同的产品上的应用，因不同产品结构形式，加热方法及感温方法的不同，判定被加热液体的沸腾的隶属度可以有不同的数值，按照本发明的方法可以设计各种不同的控制电路来实现对液体加热沸腾的控制，其主要特征如下：

按照本发明提供的控制方法设计的液体加热沸腾的控制器，其结构特征是控制电路中包含有一芯片MCU，MCU分别与温度采样电路、加热器的输出控制电路和时钟电路分别连接。该控制电路的核心部件是单片机芯片MCU，按照芯片MCU指令系统和液体加热沸腾控制的模糊规则，编制的相应控制软件存储在MCU的ROM中。选用不同的MCU，因指令系统的不同，控制软件的指定代码不同，但其实现的控制功能是相同的。

附图说明

图1为恒定加热功率下，液体加热至沸腾的温度变化曲线图。

图2为本发明一实施例的控制电路原理图。

图3为本发明另一实施例的控制电路原理图。

图4为适用于本发明的温度传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明中采用NTC温度传感器按照预加热时确定的采样周期测得被加热液体的温升变化，按照模糊规则判定液体加热是否已沸腾。从图中的液体加热至沸腾的温度曲线图中可以看出，当液体加热至接近沸腾时，单位采样周期时间内的温升，比加热初期的温升速度慢；当其完全沸腾时，温升速度接近于零；如继续加热，液体处于汽化状态，温度不再升高。图1中，T_f为液体沸腾的温度，t₀为被加热液体的初始温度，Ty＝1/kT_f为预加热温度点，当达到T_y温度点时，开始记录升温的速度，t₀为达到预加热温度开始记录升温速度的时间，t₁为第1次采样周期的时间，……，t_i为第i次采样周期的时间；ΔT₁为第1次采样周期测得的温升值，也就是在t₁与t₀这个时间段内的温度的差值，……，ΔT_i为第i次采样周期测得的温升值。

为了具体说明本控制方法，下面举例说明。

标准状态下，将一容器内固定容量的水从室温加热至沸腾大约需要5分钟，加热为恒定功率，控制器在加热过程的温度控制及模糊推理过程可按以下方法实现：

首先，为了使传感器能真实感应水的初始温度，并取得一个初始温度值，以作为后面模糊推理的依据，容器中的水温应当与温度传感器取得热平衡，加热器先不工作，静置30-60秒，得到初始温度t₀。

当水的初始温度t₀低于预加热温度点T_y＝50℃时，则开始连续加热，按照程序预设固定的采样周期，例如：10秒；测量被加热水的温度，加热到预加热温度点50℃，并计算加热过程的升温速度，通过加热升温速度来间接确定被加热水的容量，并根据加热升温的速度确定达到预加热温度后，继续加热过程的测温采样周期，可通过在不同产品上的经验数据，在MCU的软件里用查表的方法得出，以下是其中的一种根据预加热时的升温速度与后续加热的采样周期参考表：

  预加  热升  温速  度  ≤2℃    /10秒  ≤3℃    /10秒 ≤4.5℃    /10秒  ≤6℃    /10秒  ≤8℃    /10秒  ≤11℃    /10秒  ≤14  ℃/10  秒  ≤17  ℃/10  秒  ≤20  ℃/10  秒  ＞20  ℃    /10  秒  后续  加热  采样  时间  12秒  10秒  8秒  7秒  6秒  5秒  4秒  3秒  2秒  1秒

以上表中直接给出了预加热升温速度与后续加热采样周期的对应关系。在同一个容器中，不同的水量在恒定功率下加热的升温速度相差很大，因此，在后续的加热中，应采用不同的采样周期，以便准确判定液体加热是否沸腾，并使液体在沸腾后及时控温，达到节能的目的。

当温度传感器测得被加热液体的初始温度接近于沸腾温度T_f，为大于T_f-ε＝95℃时，则可判定是已沸腾液体的再加热，按照已沸腾液体再加热的程序控制，加热到接近沸腾温度99℃时，根据升温速度，例如1℃/5秒，再确定一个固定的加热时间为＞5秒，例如再加热10秒；

当传感器测得的被加热液体温度在预加热温度点50℃和可判断为已沸腾液体再加热的温度95℃之间时，可在初始温度数值上，加热一个到温度≤95℃的温度增量，可选加热到95℃，并计算加热过程的升温速度，通过此加热升温速度来间接确定被加热液体的量，并根据加热升温的速度确定后面加热过程的采样周期，查表方法与以上相同。

在后续加热至沸腾阶段，按照水加热沸腾的隶属度函数来判定是否加热至沸腾，在本实例中，从达到预加热温度50℃开始，记录升温速度，设在预加热时的升温速度为3.5℃/10秒，则从中查得后续加热的采样周期是8秒；从达到50℃时的时间t₀开始按照8秒的采样周期记录升温速度，其有效采样的时间集合为t_i{8秒，16秒，24秒………8n秒}，

与此对应测得的温升差ΔT_i的集合为{2.8℃/8秒，2.8℃/8秒，2.8℃/8秒…2.6℃/8秒，2.6℃/8秒…2.5℃/8秒…2.0℃/8秒，1.2℃/8秒，0.5℃/8秒，0.2℃/8秒}；

设ΔT＝∑ΔT_i/n(i＝1，2，……n)＝2.5℃/8秒

则判定水是否沸腾的隶属度函数μ(ΔT，t)＝1-ΔT_i/ΔT

                                    ＝1-0.2/2.5＝0.92

在本例的MCU软件中设定：若μ(ΔT，t)＜0.9，则液体还未沸腾，继续加热；如果μ(ΔT，t)≥0.9，则判定水已沸腾，控制加热器停止加热，结束加热程序，蜂鸣器报警提示水加热至沸腾已完成。

因此，水在恒定功率下进行加热时，可将模糊判定规则规纳如下：

按照水加热沸腾的隶属度函数来判定是否加热至沸腾，若μ(ΔT，t)＜0.9，则液体还未沸腾，继续加热；如果μ(ΔT，t)≥0.9，则判定水已沸腾，控制加热器停止加热，结束加热程序，此时，蜂鸣器报警提示水加热至沸腾已完成。

因此，容器内的水在恒定功率下进行加热时，可将以上的模糊逻辑规则规纳如下：

1.启动加热后，若温度传感器测得液体的初始温度：t₀＜50℃，则加热至预加热温度50℃，根据加热的升温速度，确定后面继续加热的测温采样周期，在50℃以上的加热过程记录升温速度；

2.启动加热后，若温度传感器测得水的初始温度：50℃＜t₀＜95℃，则加热到温度95℃，根据液体加热温度升高的速度，确定后面加热的测温采样周期，再记录升温速度；

3.启动加热后，若温度传感器测得液体的初始温度：t₀≥95℃，则判定液体为已沸腾过的液体再加热，加热升高到99℃，记录温度增量的时间，再计算加热至完全沸腾的时间，并再加热；

4.水在加热过程中，从开始记录升温速度，若温度传感器按照采样周期测得升温速度，累积计算的水沸腾的隶属度函数μ(ΔT，t)＜0.9，则液体还未沸腾，继续加热；如果μ(ΔT，t)≥0.9，则判定水已沸腾，控制加热器停止加热，结束加热程序。

根据上述本发明的控制方法，本发明的控制器采用单片机控制，图2和图3为二种可行的设计方案。

参见图2，为可控硅控制液体加热沸腾的控制电路，该控制电路的核心部件是单片机芯片MCU。按照芯片MCU指令系统和液体加热沸腾控制的模糊规则，编制的相应控制软件存储在MCU的存储ROM中。选用不同的MCU，控制软件的指定代码不同，但其实现的控制功能是相同的。启动电源后，按照图1中液体加热的温度变化曲线的规律，传感器NTC测得被加热液体的初始温度T₀，将初始温度T₀进行比较后，确定该液体所处于的加热阶段。在预加热阶段，通过预加热的升温速度，确定后续加热的采样周期，最后，按照上述的模糊判定规则确定液体是否沸腾。

芯片MCU的周边电路用来实现特定的控制功能，芯片MCU与显示电路、按键电路、蜂鸣器提示电路、温度采样电路、加热器的输出控制电路和时钟电路分别电连接。显示电路用来指示启动/停止或加热温度，时间的状态；在不同的产品，根据成本控制的要求，也可简化为一个LED状态指示灯；按键电路是带开/关基本功能的键处理电路；图上右侧的三极管Q3，电容C3，电阻R9和R10及蜂鸣器BUZ共同组成蜂鸣器提示电路，在启动加热，停止或加热沸腾时的做出提示；

温度采样电路包括传感器NTC及三极管Q2，电阻R5、R6、R7和R8，电阻R5一端接入三极管Q2基极，电阻R6和R8一端与三极管Q1集电极相接，电阻R7一端与三极管Q1发射极相接，其另一端与电阻R8另一端相接。温度采样电路用来测量被加热液体的初始温度，按照采样周期测量被加热液体的温度；

可控硅控制加热器的输出控制电路包括可控硅SCR及三极管Q1，电阻R1、R2和R3，电阻R1和R2一端与三极管Q1基极相接，电阻R3与三极管Q1集电极相接，电阻R1另一端与三极管Q1发射极相接；可控硅SCR接在加热器所在电路中，其一端接入电阻R3和R4之间；根据芯片MCU的输出以控制液体的加热；加热器HEATER是液体的恒功率加热元件，将根据本发明依据的模糊规则判定液体是否处于沸腾状态，若未达到沸腾温度时，进行连续加热；时钟电路包括晶体振荡器CRY及电容C1和C2，电容C1和C2串接，晶体振荡器与串接后电容C1和C2并联；直流电源电路可用变压器降压、整流滤波电路，也可用电阻降压、整流滤波电路，可视客户要求而定。

参见图3，为继电器控制液体加热沸腾的控制电路，其基本电路与图2相同，按键电路简化为只有开/关基本功能；显示电路简化为LED指示灯；继电器控制加热器的输出控制电路包括继电器RELAY、二极管D11、电阻R11和R12，电阻R11和R12一端与三极管Q1基极相接，二极管D11负极与三极管Q1集电极相接，继电器与二极管D11并联，其触点接入加热器所在电路。为使MCU的显示驱动电路功能简化，成本降低，可选用功能较少的MCU。在实际应用本发明的控制器电路时，还可根据需要，增加热熔断器，干烧保护限温器，MCU的周边电路也可作等效变换。

参见图4，为本发明中的温度传感器NTC剖视结构，传感器1设置在一帽子结构的壳体2内部顶端处，传感器1及其连接导线5外部设置有绝缘套管3，绝缘套管3与壳体2之间设置有填料层4。

根据本发明制作的产品，在电开水器、电热水瓶和咖啡壶等电热类产品上可用固定式安装，在快速电水壶和电茶壶等可移动加热容器的电热类产品上用弹性接触式安装，图4所示的结构可做为可移动加热容器的控温感应装置。