王延年,李 浩

(西安工程大學 電子信息學院,陜西 西安 710048)

節(jié)能和環(huán)保是21世紀經濟發(fā)展面臨的重大問題.隨著社會經濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,人們對生活熱水的要求不斷提高.然而燃氣熱水器和電熱水器作為傳統(tǒng)的熱水裝置具有能耗大、費用高、污染嚴重等缺點;太陽能熱水器雖然節(jié)能環(huán)保,但是其運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品,而空氣能熱泵熱水器以其節(jié)能、環(huán)保、高效的特點被逐漸重視和應用.近幾年,空氣能熱泵熱水器迅速發(fā)展,但是其技術核心仍然是溫度調節(jié)控制系統(tǒng).由于溫度是一個大滯后、時變性、非線性的被控對象,數學模型難以準確建立,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,就要對溫度調節(jié)控制系統(tǒng)做出深入的研究.目前,國內外對這方面也做了很多的研究.基于AT89S52單片機的PID恒溫控制系統(tǒng)采用的是8位的單片機作為核心處理器[1],這種設計簡單易于實現(xiàn),但單片機的處理速度慢,控制精度不高;增量式PID控制算法運用在溫控系統(tǒng)中,雖然可以在一定程度上抑制超調[2],但系統(tǒng)的反應時間稍慢,同時無法保證在寒冷的地方快速出水;通常熱泵熱水器主機與從機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,線路的鋪設不方便.為此,本文設計了一種以TMS320F2812和STM32F103為雙核心的控制器,兩者之間通過ZigBee進行無線傳輸,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合智能控制算法,這種復合控制比傳統(tǒng)的PID控制具有更快的動態(tài)響應特性,更小的超調和更高的穩(wěn)態(tài)精度.

1 結構設計與功能實現(xiàn)

智能熱泵恒溫出水裝置由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、溫度調節(jié)控制系統(tǒng)、水流調節(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)器內部蒸發(fā)汽化,然后壓縮機抽取蒸發(fā)器里汽化后的制冷劑氣體進行壓縮,壓縮后變成了高溫高壓的制冷劑,然后進入冷凝器使其從汽化狀態(tài)轉化為液化狀態(tài),在轉化的過程中,釋放出大量的熱量,從而實現(xiàn)了冷水加熱的目的.而此裝置的核心部分是溫度調節(jié)控制系統(tǒng),根據出水溫度和用戶設定溫度的差值,采用復合智能PID控制算法來控制步進電機的轉動速度大小以及正反轉的方向,從而控制閥門的開度,以此來調節(jié)單位時間內進入熱泵冷凝器中的冷水量,實現(xiàn)熱水裝置的恒溫出水.

2 硬件組成

溫度調節(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、鍵盤-顯示從機和閥門位置檢測板3個部分.恒溫控制主機分為電源系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、信號輸出系統(tǒng)和功率驅動系統(tǒng)4個模塊;鍵盤-顯示從機分為鍵盤輸入系統(tǒng)和液晶顯示系統(tǒng)2個模塊.控制主機采集溫度、流量、閥位信號和主控信號,經過處理之后,控制步進電機的轉動速度以及電機的正反轉方向;鍵盤-顯示從機則可以實現(xiàn)水流量、水溫等信息的顯示以及輸入參數的設定[3].閥門位置檢測板主要用來檢測閥位信號,從而在主機中進行處理,以此來控制步進電機.同時恒溫控制主機部分為了防止斷電之后所設置的PID參數丟失,擴展了EEPROM存儲器,采用的是ATMEL公司的AT24C32芯片,可以保存通過按鍵設置的參數信息.恒溫控制主機和鍵盤-顯示從機之間采用的是ZigBee無線通信技術,利用復合智能PID控制算法實現(xiàn)熱泵熱水器的恒溫出水.

圖1 溫度調節(jié)控制系統(tǒng)

2.1 恒溫控制主機硬件組成

恒溫控制主機主要外圍電路模塊如圖2所示.恒溫控制主機以TMS320F2812芯片[5]作為算法實現(xiàn)平臺;外圍的電源、時鐘、復位、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經過光電隔離電路后傳送給DSP芯片,利用芯片內ADC模塊轉換為數字信號,DSP對數字信號進行處理.DSP對功率驅動器進行控制,進而控制步進電機的轉動速度和步進電機的轉動方向,改變閥門的開度,控制進入水箱的冷水的水流量大小.

圖2 恒溫控制主機主要外圍電路模塊

2.2 鍵盤-顯示從機硬件組成

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

圖3 鍵盤-顯示從機的主要外圍電路模塊

2.3 ZigBee通信部分的設計

恒溫控制主機部分和鍵盤-顯示從機部分之間采用的是ZigBee無線通信方式.由于恒溫控制主機放置在室外,而鍵盤-顯示從機放在室內,所以如果采用ZigBee通信方式可以有效地減少信號線敷設工作量和成本造價,以及后期的維護工作.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)調節(jié)點和路由節(jié)點上增加了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，網絡的覆蓋范圍也有所增大.

2.4 外圍模塊設計

2.4.1 溫度采集電路 溫度傳感器采用單總線數字芯片DS18B20[6-7],它采用單總線(1-wire)技術,將地址、數據線和控制線合為一根雙向串行傳輸的信號線,不需要A/D轉換,精度高,具有結構簡單,便于總線擴展和維護等優(yōu)點.利用Dallas的單總線控制協(xié)議和單線控制信號在總線上來實現(xiàn)數據的讀寫.DS18B20溫度傳感器采用不銹鋼封裝,并且在傳輸線外側加有屏蔽層,可以有效地防止采集溫度信號時外界的干擾[3].由于主機部分和從機部分距離遠,所以為了防止在傳輸過程中數據傳輸錯誤,在軟件編寫中加入了CRC校驗,確保溫度信號可以被準確地采集傳輸與顯示.本系統(tǒng)的4個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定溫度進行比較計算出偏差,根據偏差量的大小區(qū)間,系統(tǒng)可以自動選擇合適的PID控制參數.

2.4.2 閥門位置檢測電路 步進電機控制閥門的關小和開大的過程中,有2個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,閥門會關死,從而導致水溫的急速上升,造成壓縮機的保護停機.因此,當步進電機控制閥門動作進而控制進水流量時,必須檢測閥門的全開狀態(tài)和全關狀態(tài),并做出相應的處理.閥門位置檢測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,送出低電平信號,而在其他狀態(tài)時,送出高電平信號.初始狀態(tài)時,閥門處于全開位置.閥門位置檢測板安裝在步進電機上,為了防止干擾,進行了光耦隔離.

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構,主要包括系統(tǒng)的主程序、溫度檢測子程序、PID子程序、鍵盤液晶驅動子程序、電機子程序、ZigBee通信子程序、EEPROM子程序、報警子程序等等.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)定地達到目標溫度,穩(wěn)定后溫度變化的范圍微小,采取首次閥門開度技術使進水量快速接近目標溫度要求值;(2)為了使空氣能熱水器出水溫度達到70°以上,有效防止溫度超調量過大,采取溫度斜率參與控制來提前控制溫度的快速上升;(3)為了實現(xiàn)寒冷地區(qū)恒溫出水,采取閥門跟蹤技術來解決該問題;(4)通過采集到的環(huán)境溫度可以確定不同的季節(jié),同時將采集到的出水溫度和用戶的設定溫度進行比較，計算出偏差,根據偏差量大小的區(qū)間范圍系統(tǒng)可以自動選擇對應的PID控制參數,所以本系統(tǒng)具有一定的自適應能力,可以適應不同地區(qū)和季節(jié)的恒溫出水.

圖4 程序主流程

3.2 復合智能溫控算法

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水流量,進而控制水溫,而水溫的上升和下降都需要一定的緩沖時間,所以該系統(tǒng)是一個典型的大滯后系統(tǒng).加上環(huán)境溫度、進水溫度、水壓的變化影響,出水溫度將滿足下列函數關系式:

T出水=λ×f(Q,P,T進水) .

(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)是一個典型的大滯后系統(tǒng),加上環(huán)境溫度,進水溫度,水壓的變化影響,故單純的數字PID無法滿足控制的要求.所以在溫度調節(jié)控制系統(tǒng)采用的是復合智能PID控制算法,所謂的PID控制就是按照檢測值與設定值之間偏差的比例,偏差的積累和偏差變化的趨勢進行控制,它根據采樣時刻的偏差值計算控制量[8].所以,PID控制規(guī)律的實現(xiàn),必須用數值逼近法.令u(t)為控制量,c(t)為實際輸出量,r(t)為系統(tǒng)給定量,e(t)=r(t)-c(t).Kp為比例系數,Ki為積分系數,Kd為微分系數.

(2)

當采樣周期足夠短時,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,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次采樣時刻輸入的偏差值,e(k-1)為第(k-1)次采樣時刻輸入的偏差值.根據遞推原理可得

(4)

式(3)和式(4)是位置式PID算法.位置式PID控制的輸出與整個過去的狀態(tài)有關,用到了誤差的累加值.而增量式PID的輸出只與當前拍和前兩拍的誤差有關,因此位置式PID控制的累積誤差相對更大.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,如果計算機出現(xiàn)故障,誤動作影響較小,而執(zhí)行機構本身有記憶功能,可仍保持原位,不會嚴重影響系統(tǒng)的工作.所以,復合智能控制算法就是在增量式PID算法的基礎上加入首次閥門開度技術、溫度斜率參與控制技術、閥門跟蹤技術、自適應計算參數等構成了本系統(tǒng)的優(yōu)化調節(jié)算法.

4 測試結果與分析

在某型號熱泵熱水器上實測得到如圖5所示的測試曲線,其中環(huán)境溫度為20℃,目標溫度為60℃,其中圖5中曲線a為采用傳統(tǒng)數字PID的測試結果,曲線b為采用復合智能PID的測試結果.從圖5的曲線(a)可知當設定溫度為60℃時,溫度需要經過13min才能達到穩(wěn)定輸出狀態(tài),輸出溫度約為58.5℃,溫度的超調量約為6℃.從圖5的曲線(b)可知當設定溫度為60℃時,溫度需要經過5min就能達到穩(wěn)定輸出狀態(tài),輸出溫度約為59.5℃,溫度的超調量約為1.5℃.

圖5 傳統(tǒng)數字PID測試曲線目標溫度60℃

通過對圖6,7兩種測試曲線的對比可以發(fā)現(xiàn),復合智能控制算法到達穩(wěn)定溫度的時間短,超調量小,誤差小,有很好的控制效果.

5 結束語

本文所設計的智能熱泵熱水器的恒溫調節(jié)部分是以DSP和STM32為硬件平臺,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,溫度斜率控制技術和閥門跟蹤技術等形成了適合本系統(tǒng)的復合智能PID控制算法,從而實現(xiàn)了熱水器在不同溫度環(huán)境下的恒溫出水.具有調節(jié)時間短,超調量小,振蕩幅度小等優(yōu)點.該系統(tǒng)采用了4組PID參數控制,可根據不同的氣候差異和地理環(huán)境,自動選擇合適的PID參數組,同時也可以在現(xiàn)場重新對PID參數進行設置.經過理論計算和實際測試,該系統(tǒng)具有控制簡單、調節(jié)方便、可靠性高、適應性強等優(yōu)點,提高了測量精度,具有廣闊的工程應用前景.

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