智能熱泵恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究

王延年,李 浩

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048)

節(jié)能和環(huán)保是21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的重大問題.隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,人們對(duì)生活熱水的要求不斷提高.然而燃?xì)鉄崴骱碗姛崴髯鳛閭鹘y(tǒng)的熱水裝置具有能耗大、費(fèi)用高、污染嚴(yán)重等缺點(diǎn);太陽能熱水器雖然節(jié)能環(huán)保,但是其運(yùn)行受到氣象條件的制約,具有一定的局限性.所以急需尋找它們的替代產(chǎn)品,而空氣能熱泵熱水器以其節(jié)能、環(huán)保、高效的特點(diǎn)被逐漸重視和應(yīng)用.近幾年,空氣能熱泵熱水器迅速發(fā)展,但是其技術(shù)核心仍然是溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng).由于溫度是一個(gè)大滯后、時(shí)變性、非線性的被控對(duì)象,數(shù)學(xué)模型難以準(zhǔn)確建立,并且熱泵熱水器的工作環(huán)境不是特定的,所以其特性參數(shù)具有多變性和不確定性,要做到在不同的工作環(huán)境中恒溫出水,就要對(duì)溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)做出深入的研究.目前,國內(nèi)外對(duì)這方面也做了很多的研究.基于AT89S52單片機(jī)的PID恒溫控制系統(tǒng)采用的是8位的單片機(jī)作為核心處理器[1],這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn),但單片機(jī)的處理速度慢,控制精度不高;增量式PID控制算法運(yùn)用在溫控系統(tǒng)中,雖然可以在一定程度上抑制超調(diào)[2],但系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間稍慢,同時(shí)無法保證在寒冷的地方快速出水;通常熱泵熱水器主機(jī)與從機(jī)之間的通信采用的是RS485通信的方式[3],這種通信方式能夠滿足通信的要求,但是在某些環(huán)境下,線路的鋪設(shè)不方便.為此,本文設(shè)計(jì)了一種以TMS320F2812和STM32F103為雙核心的控制器,兩者之間通過ZigBee進(jìn)行無線傳輸,并且有液晶顯示器顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài).在控制算法上采用的是復(fù)合智能控制算法,這種復(fù)合控制比傳統(tǒng)的PID控制具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,更小的超調(diào)和更高的穩(wěn)態(tài)精度.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

智能熱泵恒溫出水裝置由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、水流調(diào)節(jié)閥組成[4].蒸發(fā)器里的液態(tài)制冷劑通過蒸發(fā)器吸收空氣里的熱能,在蒸發(fā)器內(nèi)部蒸發(fā)汽化,然后壓縮機(jī)抽取蒸發(fā)器里汽化后的制冷劑氣體進(jìn)行壓縮,壓縮后變成了高溫高壓的制冷劑,然后進(jìn)入冷凝器使其從汽化狀態(tài)轉(zhuǎn)化為液化狀態(tài),在轉(zhuǎn)化的過程中,釋放出大量的熱量,從而實(shí)現(xiàn)了冷水加熱的目的.而此裝置的核心部分是溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng),根據(jù)出水溫度和用戶設(shè)定溫度的差值,采用復(fù)合智能PID控制算法來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度大小以及正反轉(zhuǎn)的方向,從而控制閥門的開度,以此來調(diào)節(jié)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入熱泵冷凝器中的冷水量,實(shí)現(xiàn)熱水裝置的恒溫出水.

2 硬件組成

溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的電路模塊如圖1所示,主要分為恒溫控制主機(jī)、鍵盤-顯示從機(jī)和閥門位置檢測(cè)板3個(gè)部分.恒溫控制主機(jī)分為電源系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、信號(hào)輸出系統(tǒng)和功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4個(gè)模塊;鍵盤-顯示從機(jī)分為鍵盤輸入系統(tǒng)和液晶顯示系統(tǒng)2個(gè)模塊.控制主機(jī)采集溫度、流量、閥位信號(hào)和主控信號(hào),經(jīng)過處理之后,控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向;鍵盤-顯示從機(jī)則可以實(shí)現(xiàn)水流量、水溫等信息的顯示以及輸入?yún)?shù)的設(shè)定[3].閥門位置檢測(cè)板主要用來檢測(cè)閥位信號(hào),從而在主機(jī)中進(jìn)行處理,以此來控制步進(jìn)電機(jī).同時(shí)恒溫控制主機(jī)部分為了防止斷電之后所設(shè)置的PID參數(shù)丟失,擴(kuò)展了EEPROM存儲(chǔ)器,采用的是ATMEL公司的AT24C32芯片,可以保存通過按鍵設(shè)置的參數(shù)信息.恒溫控制主機(jī)和鍵盤-顯示從機(jī)之間采用的是ZigBee無線通信技術(shù),利用復(fù)合智能PID控制算法實(shí)現(xiàn)熱泵熱水器的恒溫出水.

圖1 溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

2.1 恒溫控制主機(jī)硬件組成

恒溫控制主機(jī)主要外圍電路模塊如圖2所示.恒溫控制主機(jī)以TMS320F2812芯片[5]作為算法實(shí)現(xiàn)平臺(tái);外圍的電源、時(shí)鐘、復(fù)位、JTAG接口及片外SDRAM是系統(tǒng)的基本組成部分;由溫度傳感器采集來的溫度信號(hào)經(jīng)過光電隔離電路后傳送給DSP芯片,利用芯片內(nèi)ADC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),DSP對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理.DSP對(duì)功率驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制,進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,改變閥門的開度,控制進(jìn)入水箱的冷水的水流量大小.

圖2 恒溫控制主機(jī)主要外圍電路模塊

2.2 鍵盤-顯示從機(jī)硬件組成

鍵盤-顯示從機(jī)的主要外圍電路模塊如圖3所示.鍵盤-顯示從機(jī)以STM32F103為核心,此部分液晶主要用于顯示用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度和流量信息以及參數(shù)的設(shè)定,鍵盤主要用于更改目標(biāo)溫度和一些參數(shù)的設(shè)定以及在查詢狀態(tài)和設(shè)定狀態(tài)之間的切換.

圖3 鍵盤-顯示從機(jī)的主要外圍電路模塊

2.3 ZigBee通信部分的設(shè)計(jì)

恒溫控制主機(jī)部分和鍵盤-顯示從機(jī)部分之間采用的是ZigBee無線通信方式.由于恒溫控制主機(jī)放置在室外,而鍵盤-顯示從機(jī)放在室內(nèi),所以如果采用ZigBee通信方式可以有效地減少信號(hào)線敷設(shè)工作量和成本造價(jià),以及后期的維護(hù)工作.此部分的無線射頻收發(fā)裝置采用的是CC2430+CC2591的模塊,TI公司的CC2430是常見的無線射頻收發(fā)芯片,而在協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)上增加了CC2591作為射頻前端,可以有效地提高發(fā)送功率和接收靈敏度,增加傳輸距離至200m，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍也有所增大.

2.4 外圍模塊設(shè)計(jì)

2.4.1 溫度采集電路 溫度傳感器采用單總線數(shù)字芯片DS18B20[6-7],它采用單總線(1-wire)技術(shù),將地址、數(shù)據(jù)線和控制線合為一根雙向串行傳輸?shù)男盘?hào)線,不需要A/D轉(zhuǎn)換,精度高,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn).利用Dallas的單總線控制協(xié)議和單線控制信號(hào)在總線上來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫.DS18B20溫度傳感器采用不銹鋼封裝,并且在傳輸線外側(cè)加有屏蔽層,可以有效地防止采集溫度信號(hào)時(shí)外界的干擾[3].由于主機(jī)部分和從機(jī)部分距離遠(yuǎn),所以為了防止在傳輸過程中數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤,在軟件編寫中加入了CRC校驗(yàn),確保溫度信號(hào)可以被準(zhǔn)確地采集傳輸與顯示.本系統(tǒng)的4個(gè)溫度傳感器分別采集環(huán)境溫度、入水溫度、水箱溫度和出水溫度4種溫度.將采集到的出水溫度和用戶的設(shè)定溫度進(jìn)行比較計(jì)算出偏差,根據(jù)偏差量的大小區(qū)間,系統(tǒng)可以自動(dòng)選擇合適的PID控制參數(shù).

2.4.2 閥門位置檢測(cè)電路 步進(jìn)電機(jī)控制閥門的關(guān)小和開大的過程中,有2個(gè)極端位置分別是全開狀態(tài)和全閉狀態(tài).尤其是閥門處于全閉狀態(tài)時(shí),閥門會(huì)關(guān)死,從而導(dǎo)致水溫的急速上升,造成壓縮機(jī)的保護(hù)停機(jī).因此,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)控制閥門動(dòng)作進(jìn)而控制進(jìn)水流量時(shí),必須檢測(cè)閥門的全開狀態(tài)和全關(guān)狀態(tài),并做出相應(yīng)的處理.閥門位置檢測(cè)電路采用的是霍爾元件A3144E,在閥門處于全開和全閉狀態(tài)時(shí),送出低電平信號(hào),而在其他狀態(tài)時(shí),送出高電平信號(hào).初始狀態(tài)時(shí),閥門處于全開位置.閥門位置檢測(cè)板安裝在步進(jìn)電機(jī)上,為了防止干擾,進(jìn)行了光耦隔離.

3 程序流程及溫控算法

3.1 程序流程

溫度控制系統(tǒng)的軟件部分主要采用模塊化結(jié)構(gòu),主要包括系統(tǒng)的主程序、溫度檢測(cè)子程序、PID子程序、鍵盤液晶驅(qū)動(dòng)子程序、電機(jī)子程序、ZigBee通信子程序、EEPROM子程序、報(bào)警子程序等等.程序流程圖如圖4所示.由于該系統(tǒng)是一個(gè)典型的大滯后系統(tǒng),加上還有許多的外界變化因素,傳統(tǒng)的PID控制算法無法滿足要求,所以,本方案采用復(fù)合智能PID控制算法.(1)為了使空氣能熱水器快速并且穩(wěn)定地達(dá)到目標(biāo)溫度,穩(wěn)定后溫度變化的范圍微小,采取首次閥門開度技術(shù)使進(jìn)水量快速接近目標(biāo)溫度要求值;(2)為了使空氣能熱水器出水溫度達(dá)到70°以上,有效防止溫度超調(diào)量過大,采取溫度斜率參與控制來提前控制溫度的快速上升;(3)為了實(shí)現(xiàn)寒冷地區(qū)恒溫出水,采取閥門跟蹤技術(shù)來解決該問題;(4)通過采集到的環(huán)境溫度可以確定不同的季節(jié),同時(shí)將采集到的出水溫度和用戶的設(shè)定溫度進(jìn)行比較，計(jì)算出偏差,根據(jù)偏差量大小的區(qū)間范圍系統(tǒng)可以自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)的PID控制參數(shù),所以本系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力,可以適應(yīng)不同地區(qū)和季節(jié)的恒溫出水.

圖4 程序主流程

3.2 復(fù)合智能溫控算法

在該恒溫控制系統(tǒng)中,由于系統(tǒng)是通過控制閥門開度來控制進(jìn)水流量,進(jìn)而控制水溫,而水溫的上升和下降都需要一定的緩沖時(shí)間,所以該系統(tǒng)是一個(gè)典型的大滯后系統(tǒng).加上環(huán)境溫度、進(jìn)水溫度、水壓的變化影響,出水溫度將滿足下列函數(shù)關(guān)系式:

T出水=λ×f(Q,P,T進(jìn)水) .

(1)

其中,λ為溫度影響因子,Q為流量,P為水壓.

由于該系統(tǒng)是一個(gè)典型的大滯后系統(tǒng),加上環(huán)境溫度,進(jìn)水溫度,水壓的變化影響,故單純的數(shù)字PID無法滿足控制的要求.所以在溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)采用的是復(fù)合智能PID控制算法,所謂的PID控制就是按照檢測(cè)值與設(shè)定值之間偏差的比例,偏差的積累和偏差變化的趨勢(shì)進(jìn)行控制,它根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量[8].所以,PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn),必須用數(shù)值逼近法.令u(t)為控制量,c(t)為實(shí)際輸出量,r(t)為系統(tǒng)給定量,e(t)=r(t)-c(t).Kp為比例系數(shù),Ki為積分系數(shù),Kd為微分系數(shù).

(2)

當(dāng)采樣周期足夠短時(shí),可以用求和代替積分,用差商代替微分,令t=kT,k為采樣序號(hào),k=1,2…,所以式(2)可以變換為

(3)

式中,u(k)為第k次控制系統(tǒng)輸出值,e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值,e(k-1)為第(k-1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差值.根據(jù)遞推原理可得

(4)

式(3)和式(4)是位置式PID算法.位置式PID控制的輸出與整個(gè)過去的狀態(tài)有關(guān),用到了誤差的累加值.而增量式PID的輸出只與當(dāng)前拍和前兩拍的誤差有關(guān),因此位置式PID控制的累積誤差相對(duì)更大.用式(3)減去式(4),可得增量式PID控制算法.

Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)].

(5)

由于增量式PID輸出的是控制量增量,如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障,誤動(dòng)作影響較小,而執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有記憶功能,可仍保持原位,不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作.所以,復(fù)合智能控制算法就是在增量式PID算法的基礎(chǔ)上加入首次閥門開度技術(shù)、溫度斜率參與控制技術(shù)、閥門跟蹤技術(shù)、自適應(yīng)計(jì)算參數(shù)等構(gòu)成了本系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)算法.

4 測(cè)試結(jié)果與分析

在某型號(hào)熱泵熱水器上實(shí)測(cè)得到如圖5所示的測(cè)試曲線,其中環(huán)境溫度為20℃,目標(biāo)溫度為60℃,其中圖5中曲線a為采用傳統(tǒng)數(shù)字PID的測(cè)試結(jié)果,曲線b為采用復(fù)合智能PID的測(cè)試結(jié)果.從圖5的曲線(a)可知當(dāng)設(shè)定溫度為60℃時(shí),溫度需要經(jīng)過13min才能達(dá)到穩(wěn)定輸出狀態(tài),輸出溫度約為58.5℃,溫度的超調(diào)量約為6℃.從圖5的曲線(b)可知當(dāng)設(shè)定溫度為60℃時(shí),溫度需要經(jīng)過5min就能達(dá)到穩(wěn)定輸出狀態(tài),輸出溫度約為59.5℃,溫度的超調(diào)量約為1.5℃.

圖5 傳統(tǒng)數(shù)字PID測(cè)試曲線目標(biāo)溫度60℃

通過對(duì)圖6,7兩種測(cè)試曲線的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),復(fù)合智能控制算法到達(dá)穩(wěn)定溫度的時(shí)間短,超調(diào)量小,誤差小,有很好的控制效果.

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的智能熱泵熱水器的恒溫調(diào)節(jié)部分是以DSP和STM32為硬件平臺(tái),在傳統(tǒng)的增量式PID控制算法中加入了首次閥門開度技術(shù),溫度斜率控制技術(shù)和閥門跟蹤技術(shù)等形成了適合本系統(tǒng)的復(fù)合智能PID控制算法,從而實(shí)現(xiàn)了熱水器在不同溫度環(huán)境下的恒溫出水.具有調(diào)節(jié)時(shí)間短,超調(diào)量小,振蕩幅度小等優(yōu)點(diǎn).該系統(tǒng)采用了4組PID參數(shù)控制,可根據(jù)不同的氣候差異和地理環(huán)境,自動(dòng)選擇合適的PID參數(shù)組,同時(shí)也可以在現(xiàn)場(chǎng)重新對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.經(jīng)過理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試,該系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),提高了測(cè)量精度,具有廣闊的工程應(yīng)用前景.

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