太陽能熱水系統控制器的設計研究

盧 帥，朱政通，栗偉周

(許昌學院 工程技術中心，河南 許昌 461000)

在太陽能熱利用中，太陽能熱水器應用廣泛，既環保又能緩解資源緊張.在國家提倡和支持利用新能源和可再生能源的背景下，太陽能熱水器已成為可再生能源市場上需求量最大、發展最為迅速的產品之一[1,2].然而，目前國內市場上的太陽能熱水器控制系統功能單一、抗干擾能力差，往往起不到良好的控制效果.基于上述原因，對比國內外太陽能控制器，在分析熱水器系統結構和電氣控制的基礎上，本文研制開發了能實時滿足太陽能供熱需求的控制器.

太陽能熱利用系統是一個大慣性、純滯后、參數時變的非線性復雜系統[3-5]，如何實現其智能控制，是太陽能熱利用控制系統研究領域中的一個難點.本文在滿足系統需求的前提下，設計了相應控制器的硬件電路和便于開發、使用和維護的系統軟件.最后系統聯調，修正和優化控制規則，控制器能很好的達到控制效果.

1 太陽能熱水系統描述

太陽能熱水器系統由太陽能熱水器和太陽能控制器組成.太陽能熱水器是由集熱器、蓄熱水箱、循環泵、連接管道、支架及其輔助零部件(電力或燃氣等輔助能源)等組成[6].太陽能集熱器和太陽能蓄熱水箱內分別安裝溫度傳感器，通過兩個溫度傳感器實時采集集熱介質溫度和水箱中水溫度信號.采集后通過信號調理電路將溫度值轉換為相應的模擬電壓值，經過A/D轉換芯片轉換為控制器可控制顯示的數字信號[7,8].

在控制電路中，將采集的兩個溫度進行比較，當差值達到預先給定的設定值時，且水箱溫度未達到指定溫度時，控制器通過控制算法水泵調速，換熱管的熱介質不斷循環，與水箱中水不斷置換熱量.當兩者溫差小于給定值或水箱中水達到指定溫度時，水泵停止工作[9].控制器是控制供熱的核心部分，由按鍵輸入，顯示，檢測和控制電路等組成.其控制系統結構圖如圖1所示.

系統還配有輔助熱源，在冬天或者連續陰雨天太陽能輻射量很小時，開啟輔助加熱控制，通過電加熱或鍋爐來加熱蓄水箱中的水.控制器便于人機交互，通過按鍵，用戶可以設定所需的各個參數值，并在顯示屏上實時顯示.

圖1 太陽能熱水系統控制結構圖

2 軟硬件系統開發

2.1 硬件結構

太陽能供熱系統的重要基礎是硬件平臺的選擇和外圍相關電路的整體設計.為實現本控制系統的功能要求，所設計的硬件電路主要完成以下功能：首先滿足整個系統各個模塊的供電要求，其次采用溫度傳感器多路溫度采集，輔助恒流源和多路開關電路，通過A/D轉換計算出實時的采集溫度值，進行溫度比較處理，最后根據溫度的處理結果經微控制器內部算法計算輸出相應的PWM波，控制水泵的轉速來加熱蓄水箱，加入了人機交互，設計了鍵盤輸入和LCD顯示，可以直觀的觀察系統的當前狀態及人為的控制系統加熱.

本設計選用了性價比較高的ATmega169PA芯片用于控制，圖2為硬件系統總體框架圖.

圖2 硬件系統總體框圖

2.2 軟件系統

系統軟件采用模塊化結構設計[10,11]，分別實現各項功能，這樣有助于程序的調試，增加程序的可讀性和可移植性.

圖3為系統軟件主程序流程圖，軟件設計是前后臺式的，即以查詢的方式作為后臺主程序，各種中斷作為前臺工作程序.后臺主程序實現聲明變量、設置單片機寄存器、變量、各個模塊初始化、配置和使能相應中斷等功能.實際的加熱控制運行在前臺的中斷服務程序中.

圖3 系統主程序流程圖

本設計提出PID、模糊自整定PI、比例因子模糊自整定PID三種算法來設計控制器，比較系統的優越性.

3 實驗分析與研究

3.1 實驗方法與實驗條件

搭建了太陽能供熱系統模擬實驗平臺，考慮到加熱裝置具有普遍慣性的特點，實驗負載采用電燉鍋來代替太陽能循環水泵.考慮到環境變化對供熱系統的影響，在電燉鍋未開蓋和開蓋兩種情況下，分別加熱1L水進行實驗測試.由于太陽能供熱源在實時中是波動的，實驗中采用變壓器，通過調節供壓交流電來產生電壓干擾.控制器通過鉑熱電阻PT1000來實時采集水溫，執行相應算法程序來控制電燉鍋的開關，從而控制水的加熱.注入水的初始溫度為17.5 ℃左右，系統目標溫度設置為42.5 ℃.設置與目標溫度的溫差小于等于20 ℃才開始算法控制調節，溫差大于20℃時，不進行算法調節.

3.2 系統實驗與數據分析

圖4是控制水溫過程中的電壓波動干擾曲線圖，每5分鐘變化20 V，波動范圍為180 V～260 V，基準電壓為220 V，實驗時間為90分鐘.以下實驗是在此供電電壓波動情況下的結果.

考慮到實驗的偶然性及誤差因素，在此觀察兩次實驗系統的控制效果.

(1)加熱1 L水未開蓋時，三種算法的第一次實驗數據matlab圖如圖5a所示.

圖4 電壓波動干擾曲線圖

第二次實驗數據matlab圖如圖5b所示.

三種算法的性能參數比較結果如表1所示.

從圖5和參數表1可以看出PID、模糊自整定PI、比例因子模糊自整定PID三種方法加熱的上升時間和峰值時間依次遞減，能夠排除數據的偶然性.具體來看，圖5a中55分鐘到90分鐘之間，PID溫度波動較大，圖5b中波動區別不明顯.參考表1，模糊自整定PI兩次實驗超調量比較大，為0.7%，穩態誤差PID比較大，為±0.7%，綜合來看，比例因子模糊自整定PID響應時間快，超調量小，波動小，控制效果最好.

(2)為了考察加熱環境變化對系統加熱的影響，加熱1 L水開蓋時，三種算法的第一次實驗數據matlab圖如圖6a所示.

表1 未開蓋時三種算法結果比較

第二次實驗數據matlab圖如圖6b所示.

圖5a 未開蓋三種算法的曲線對比圖(第一次)

圖5b 未開蓋三種算法的曲線對比圖

圖6a 開蓋三種方法的曲線對比圖(第一次)

圖6b開蓋三種方法的曲線對比圖(第二次)

三種算法的性能參數比較結果如表2所示.

表2 開蓋時三種算法結果比較

從兩次Matlab圖和表2可以看出，PID、模糊自整定PI、比例因子模糊自整定PID三種控制算法加熱的上升時間和峰值時間依次遞減，波動效果區別不明顯，能夠排除實驗數據的偶然性.參考表2，PID兩次實驗超調量較大，穩態誤差比例因子模糊自整定PID最小.綜合來看，比例因子模糊自整定PID響應時間快，超調量小，波動小，控制效果最好.

從表1和表2對比可以看出，由于加熱外部環境的變化，系統各項性能參數有所變化，上升和峰值時間，穩態誤差變大，抗干擾性較未開蓋情況下變差，但差別較小.對于一個大慣性特性的加熱系統來說，這個差別可以忽略不計.在每種實驗情況下，采用PID控制算法的上升和峰值時間、穩態誤差大.采用模糊PI，比例因子模糊自整定PID控制算法的上升速度較PID快，但同時超調量有時會有所增大.綜合來看，比例因子模糊自整定PID響應速度快，較為穩定，魯棒性好.由于系統為大慣性系統，可以接受這種方法所產生的超調，所以本設計采用比例因子模糊自整定PID控制方法.

4 結語

本文設計了以電源、AD芯片、多路開關、鍵盤等組成的硬件系統，用于實現實時溫度采集，處理分析、控制和人機交互等功能，完成了主程序和各模塊的軟件設計和調試.提出了三種算法，通過實驗獲得了不同算法在不同加熱情況下的具體數據，確定了系統運用比例因子模糊自整定PID控制算法.經過測試，該控制器響應速度快、魯棒性好，且隨著外部環境的變化抗干擾能力強，保證了控制器實際應用的穩定性.

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