用水箱模擬太陽(yáng)能熱水器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂淑平，劉文君，于 鑫，王鵬宇

（哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

在太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)中最成熟的產(chǎn)品應(yīng)首推太陽(yáng)能熱水器［1］，尤其是帶輔助電加熱功能的太陽(yáng)能熱水器，它以太陽(yáng)能為主、電能為輔的能源利用方式，可全年全天候使用。

水箱是自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，本文就電輔助加熱太陽(yáng)能熱水器的具體應(yīng)用，基于水箱設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能熱水器控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)定時(shí)水位檢測(cè)和自動(dòng)上水、Bang－Bang控制、PID控制、模糊控制等多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。系統(tǒng)不但硬件簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，更能使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力［2－3］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52RC為控制器，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器測(cè)量水溫，以DS12C887為系統(tǒng)提供高精度時(shí)鐘，使用壓力傳感器檢測(cè)液位，并能夠定時(shí)檢測(cè)水位和自動(dòng)上水、實(shí)時(shí)顯示加熱時(shí)間和溫度。通過(guò)PID或模糊控制算法得到控制量，通過(guò)PWM波控制過(guò)零繼電器方法來(lái)控制加熱棒的功率，從而控制水溫［4－6］。用水箱模擬太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度控制執(zhí)行器

該系統(tǒng)的水溫控制執(zhí)行部分是一個(gè)過(guò)零固態(tài)繼電器和加熱棒，繼電器輸入控制端為DC 3～32V，輸出端為AC 5A/380V/50～60Hz，加熱棒功率為500～1 000W。通過(guò)控制單片機(jī)產(chǎn)生PWM波的占空比控制交流過(guò)零繼電器的通斷頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱棒的功率控制。為了減小溫度慣性和時(shí)間延遲，在水箱中加入一個(gè)傾斜一定角度的攪拌器以增加水的總體流動(dòng)，并使溫度值在水層中均勻分布。

圖1 用水箱模擬太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)組成

2.2 溫度測(cè)量部分

采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其抗干擾能力強(qiáng)，并且不必要溫度標(biāo)定，使用單片機(jī)分時(shí)復(fù)用原理與傳感器的單總線接口方式即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信［7－9］。DS18B20的硬件電路見(jiàn)圖2。

圖2 DS18B20的硬件電路

2.3 水位檢測(cè)與自動(dòng)上水部分

選用松下D3B壓力傳感器測(cè)量水位，壓力范圍0～9.8kpa（0～1 000mm 水柱），輸出電壓為0.2～4.9V，線性度為0.2%。在信號(hào)線處需要一個(gè)1～4.7 kΩ上拉電阻。電路接線和DS18B20電路相似。自動(dòng)上水部分采用二位二通電磁閥。為了保證可靠性，在單片機(jī)輸出端連入達(dá)林頓管TIP127驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電磁閥。

壓力傳感器將水箱底部的水壓轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓值，經(jīng)ADC0804轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后送入單片機(jī)，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定值相比較，若水位較低則啟動(dòng)電磁閥自動(dòng)上水，反之則關(guān)閉電磁閥。單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器T0對(duì)水位進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)，以保證水位能夠始終保持在正常范圍內(nèi)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分包括采用C語(yǔ)言編程的下位機(jī)軟件和采用 Visual Basic 6.0編程的上位機(jī)軟件，基于模糊算法的下位機(jī)軟件運(yùn)行流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 下位機(jī)軟件運(yùn)行流程圖

上位機(jī)軟件在編輯過(guò)程中主要使用了MSComm通信控件、Timer定時(shí)器控件和圖表繪制控件等。使用上位機(jī)界面可以很直觀地觀察水溫變化趨勢(shì)以及動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能等，還能根據(jù)顯示曲線來(lái)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行建模與參數(shù)整定［10－12］。

4 溫度控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

4.1 模糊控制實(shí)現(xiàn)方法

目前大多數(shù)產(chǎn)品的電輔助加熱方式的控制策略常采用開(kāi)關(guān)式或PID控制，但由于太陽(yáng)能本身是一個(gè)時(shí)變的復(fù)雜非線性變量，太陽(yáng)能熱水器的集熱和輔助加熱過(guò)程無(wú)法精確地用數(shù)學(xué)模型描述，采用傳統(tǒng)控制方式有時(shí)難以達(dá)到滿意的效果。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的模糊控制在家用電器和其他嵌入式控制系統(tǒng)中取得了很好的控制效果。模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用二維模糊控制器，以溫度誤差和溫度誤差的變化率作為模糊控制器的輸入信號(hào)，模糊控制器輸出控制量為U，單片機(jī)再根據(jù)U值確定輸出PWM波的占空比。時(shí)間設(shè)置值也作為控制器的輸入信號(hào)，用于對(duì)占空比進(jìn)行時(shí)間上的優(yōu)化［5－6］。

將模糊控制器的輸入、輸出變量的實(shí)際變化范圍稱(chēng)為這些變量的基本論域。本系統(tǒng)中的溫度誤差e、溫度誤差的變化率ec、控制量u的基本論域分別為：［－2，＋2］，［－0.2，＋0.2］和［0，100%］。

誤差語(yǔ)言變量E所取的模糊集合的論域?yàn)椋?/p>

E＝｛－10，－9，－8，－7，－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6，＋7，＋8，＋9，＋10｝；誤差的變化率語(yǔ)言變量EC所取的模糊集合的論域?yàn)椋篍C＝｛－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5｝；控制量語(yǔ)言變量U所取的模糊集合的論域?yàn)椋篣＝｛0，1，2，3，4，5｝。

因此本系統(tǒng)的輸出語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值取6個(gè)：當(dāng)U＝0時(shí)，單片機(jī)PWM腳輸出低電平，即PWM波的占空比為零，交流過(guò)零固態(tài)繼電器不導(dǎo)通，加熱功率為零；當(dāng)U＝1時(shí)，PWM波的占空比為20%；以此可以類(lèi)推到U＝5時(shí)的情況。

在實(shí)際的程序設(shè)計(jì)中，可以借助Matlab模糊邏輯工具箱Fuzzy Logic Toolbox以及預(yù)設(shè)模糊規(guī)則制成一個(gè)適用于單片機(jī)C程序的模糊控制表。程序只需計(jì)算出E和EC，即可通過(guò)查表找出控制量U。模糊控制程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖5所示。

圖5 模糊控制程序?qū)崿F(xiàn)流程圖

4.2 功率－時(shí)間控制實(shí)現(xiàn)方法

在未加入對(duì)設(shè)定時(shí)間有關(guān)的功率控制的前提下，初始溫度在18～25℃時(shí)，使用本文前述的模糊控制加熱方式加熱到設(shè)定值（45℃）大約需要10～15min。設(shè)c為常壓下水的比熱容，m為水箱中水的質(zhì)量，P0為加熱器額定功率，P為實(shí)際控制功率，U為模糊控制量，當(dāng)時(shí)間設(shè)定為t0＝15min時(shí)有

式中θ為水溫，Q散為散熱量。

當(dāng)水溫較低時(shí)（θmax≤45℃），暫時(shí)不計(jì)系統(tǒng)向環(huán)境中的散熱作用，可得到

溫度－時(shí)間控制的任務(wù)實(shí)際是保證在不同的初始溫度和設(shè)置時(shí)間條件下，Δθ大致保持定值。因此，當(dāng)不考慮散熱影響時(shí)，可以將時(shí)間分檔為t＝15×k（min）的檔位，對(duì)于相應(yīng)的功率控制，就應(yīng)當(dāng)把功率縮減為15min控制時(shí)的1/k，即當(dāng)設(shè)定時(shí)間為t＝15×k（min）時(shí)有：

如果考慮到不同環(huán)境下初始溫度的差異以及散熱的影響，當(dāng)初始溫度較高時(shí)（程序中設(shè)定θ0≥22℃），那么就需在（4）式基礎(chǔ)上，略微減小實(shí)時(shí)輸出功率，即將分母中的k改為k＋a，其中a的值需要設(shè)計(jì)者在實(shí)際調(diào)試中結(jié)合具體的水箱調(diào)因子以及控制程序中采用的中斷時(shí)間倍率而定。本設(shè)計(jì)中將PWM波的高電平持續(xù)最小時(shí)間設(shè)定為150ms，而中斷時(shí)間單元為15ms，所以倍率為10，取a＝0.2～0.6的某一值，因此有

式（5）等號(hào)兩邊積分后得

（6）式即為初始溫度較高時(shí)溫度控制式。只需在程序中設(shè)置不同初始溫度下選擇對(duì)應(yīng)調(diào)整因子a的值，即可在不同初始溫度條件下實(shí)現(xiàn)較為理想的溫度－時(shí)間控制。顯然，該控制過(guò)程功能在執(zhí)行之前，還要進(jìn)行初始溫度的檢測(cè)和控制模式的選擇。在加熱開(kāi)始前，單片機(jī)先采集一定數(shù)量的水溫值，然后進(jìn)行均值濾波，確定系統(tǒng)加熱的初始溫度，據(jù)此判斷調(diào)整因子的取值。實(shí)際的控制效果見(jiàn)圖6。

圖6 模糊控制效果

4.3 分程PID控制實(shí)現(xiàn)方法

分程PID控制控制規(guī)律為：當(dāng)偏差e（k）＞ε時(shí)，控制器采用Bang－Bang控制；當(dāng)偏差e（k）≤ε時(shí)，以位置式PID的遞推算法方式控制。這樣既可以發(fā)揮Bang－Bang控制快速性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又能發(fā)揮PID控制精度高、超調(diào)量較小的優(yōu)點(diǎn)，從而優(yōu)化系統(tǒng)的控制性能，改善控制效果。

在本設(shè)計(jì)中，取偏差閾值ε＝5℃，當(dāng)溫度到達(dá)40℃后以位置式PID的遞推算法控制。位置式PID的遞推算法流程圖如圖7所示。

設(shè)T為采樣時(shí)間，KP為比例增益，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，對(duì)應(yīng)圖7中的各項(xiàng)參數(shù)分別為：

采用分程PID控制的效果曲線見(jiàn)圖8。

圖7 位置式PID的遞推算法流程圖

圖8 分程PID控制效果曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠滿足智能控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求，適用自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)誤差小、過(guò)渡時(shí)間短、硬件簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，學(xué)生可自行動(dòng)手制作。本文算法可作為太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)廠商產(chǎn)品設(shè)計(jì)參考。

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