精准恒温控制在智能坐便器上的研究与应用

哈建文 范欣 梅吉超 邓曦

本文通过对智能坐便器产品的研发，探索如何实现智能坐便器上的精准恒温控制。采用数据分析和部分实验相结合的研究方法，结合数学模型，给出控制算法。并且本文提出的思路可拓展应用于其余涉及恒温控制的产品上。

精准恒温控制;活水即热;坐圈控温;温度波动

引言

水洗替代卫生纸，引发了一场卫浴革命，电子卫浴已成为卫浴行业的新宠儿，科技、方便、卫生成为新时代卫浴标签，智能坐便器便是这更新换代的革命性产物。众所周知，无纸化温水清洗、温暖便座已是智能坐便器的基本功能，因其接触的是人体非常敏感的部位，活水即热、恒温坐圈带给使用者最直观的感受在于温度的稳定。

本文提出一种精准恒温控制方式，在结合模糊算法和PID控制的优势基础上，根据应用场景、产品特性，通过产品实例实测表明该控制方式应用在智能坐便器上的优越性及其是可作为各恒温产品控制的良好支撑技术。

（一）精准恒温控制之活水即热篇

如图1，活水即热即是在需要温水的时候，冷水从加热管流过，通过加热信号控制达到设定的目标温度，这是一个温度逐渐逼近设定值的过程，在此过程中温度都会在一个范围内波动，一旦出现较大波动，又需要一段时间才能达到设定值，恒温的本质则是波动范围越小越好，波动越小，使用者体验越舒适。针对即热式智能坐便器，行业标准要求温度波动控制在±2℃以内，整机厂家要求在±1℃以内，因此我们按更严格的要求来进行设计，控制温度波动在±0.5℃内，对活水即热进行剖析与研究发现，其温度波动受温度传感器检测、流量变化的影响，关键点在于温度的检测精度和加热功率的控制精度。

温度的检测精度按照0.1℃进行。温度传感器规格书提及的阻值表一般是1℃一个数值，阻值的偏差一般为1%，那怎么实现0.1℃精度测量呢？温度传感器的阻值整体上是非线性关系，但阻值必定是连续的，而阻值偏差只会影响温度准确度，对温度波动不造成影响，因此我们将相邻两度之间的阻值变化和温度进行线性对应来使计算达到0.1℃精度。此外，温度检测采用循环均值法，每8毫秒采样1次，获取最近4次采样的均值计算当前温度值。

基于所需加热功率与水的體积、温升成正比关系，加热功率的调整幅度（即控制精度）影响温度波动，功率的设置和调整的响应速度决定其控制精度。为实现精准的功率控制，引入无级调节概念，设置划分模拟等级，做到平滑过渡，避免阶跃变化带来的波动。

如图2，主芯片通过检测交流电的过零点，来输出控制信号，以确定本周期加热管是否进行加热;50HZ的交流电提供100Hz的过零信号，每个过零信号可以实现一次加热的控制，所以在1秒内，可将加热等级划分为100级，根据加热的等级来决定1秒内需要加热多少个周期。若实现的最大加热功率为2KW，1级则对应20W，如此，每级对应功率较小，在调整时可有效抑制温度波动。

此处计算的功率仅是理论上的加热功率，由于传感器、加热管器件本身的差异、检测的偏差等不可控因素的存在，则引入微调手段作保障。在加热等级的控制处理上，需要在100个周期当中均匀的分布加热控制信号，以此保证微调等级快速自然的切换，同时还需要均匀分布正负电流，保证EMC测试。具体的控制流程图如下图3。

如图4是精准恒温控制方式应用前与应用后实际测试的水温波动曲线。从曲线可看出温度波动有明显的改善，温度波动也控制在±0.5℃内，有效地实现了精准恒温控制。

（二）精准恒温控制之坐圈控温篇

温暖便座的应用，给使用者提供了舒适的体感体验，尤其在冬日，带来一份温暖。坐圈加热是坐圈内置加热丝，以对其壳体进行加热，高于目标温度则加热断开，低于目标温度则加热导通。由于加热丝内置的封闭性和外壳的裸露性以及加热丝有加热惯性，随着环境温度的变化，会造成加热和散热均衡关系的不一致性，温度传感器的数据与坐圈表面的温度受环境温度的影响，并非一一对应的关系。为了保证在不同的环境温度下，坐圈的表面温度都能达到设定的温度，因此提出了一套理论方法进行研究，旨在通过此方法减小坐圈表面温度受环境温度的影响，实现对坐圈的恒温控制。

理论的基本原理是根据加热占空比与温升的正比关系，通过占空比计算理论的温升值，再反向推理计算环境温度的理论值，之后结合实测的散热因子，得出理论温度偏移量，以此修正目标温度。具体的控制流程图如下图5。

如下表1（应用前）、表2（应用后）所示，内容为不同环境温度下（10℃～25℃）实验测试坐圈温度的数据表。如下数据看出，不同环境温度下，坐圈的表面温度都能达到设定的温度，环境越低时，表现得效果越明显。

参考文献

[1]GB/T 34549-2017，中华人民共和国国家标准， 卫生洁具 智能坐便器[S].2017-10-14（12）

[2]CBMF 15-2016，中国建筑材料协会，智能坐便器[S].2016-09-06：8-15.