孫大海，艾秀娟，吳紅光

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海裝備制造有限公司第一機(jī)械廠，河北滄州 062658）

0 引言

國(guó)內(nèi)目前的供暖形式基本上是集中供暖、單戶單循環(huán)。這種形式較以往的上供下回的單管順流系統(tǒng)，有了很大的可調(diào)節(jié)性?，F(xiàn)通用的是自力式流量閥，調(diào)節(jié)不靈活且不準(zhǔn)確，為此，住戶安裝室內(nèi)型溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，既提升了舒適度，又避免能源的浪費(fèi)。

1 設(shè)計(jì)思路

（1）給一個(gè)假定的運(yùn)行環(huán)境。以一個(gè)恒定的暖氣溫度為基準(zhǔn)，通過溫度、流量的采集和計(jì)算，不斷地自我調(diào)節(jié)，使室內(nèi)溫度值逐漸接近設(shè)定值。利用公式，計(jì)算出住戶消耗的熱量值，反饋至系統(tǒng)，指導(dǎo)下一次的調(diào)節(jié)。

（2）假定暖氣溫度t 保持恒定，系統(tǒng)的核心設(shè)備為室內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)嵌的單片機(jī)，通過室內(nèi)溫度采集模塊反饋的溫度值，與住戶預(yù)先設(shè)定好的舒適溫度進(jìn)行對(duì)比，反復(fù)調(diào)整后，將計(jì)算結(jié)果輸出至系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)-供暖系統(tǒng)進(jìn)水口的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。經(jīng)過一定時(shí)間后，通過采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)與設(shè)定值的再次比對(duì)，進(jìn)行微調(diào)節(jié)。同時(shí)，由進(jìn)出口溫度計(jì)算出供回水溫差，再由模擬流量系統(tǒng)的流量值，計(jì)算出用戶所使用的熱量值。

2 室溫調(diào)控系統(tǒng)的硬件組成

（1）智能控制模塊。因?yàn)槭覂?nèi)溫度系統(tǒng)是一個(gè)大滯后系統(tǒng)，建立精確的數(shù)學(xué)模型是非常困難的，所以采用模糊控制技術(shù)對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，既可以避免傳統(tǒng)控制的局限性，又能夠提高室內(nèi)溫度的控制精度。智能控制模塊組成：89C51 單片機(jī)、顯示模塊、鍵盤輸入模塊及軟件部分。

（2）溫度采集模塊。溫度采集模塊用以完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)暖氣溫度的二次測(cè)量。因?yàn)闇囟戎底陨硭哂械臏笮院头菚r(shí)限性以及局部耦合性，考慮到經(jīng)濟(jì)性和精確性，優(yōu)先選擇選用鉑電阻測(cè)量供暖分段系統(tǒng)進(jìn)、出口溫度Tl和T2，用DS18B20 溫度傳感器，檢測(cè)當(dāng)前的室溫T。

（3）暖氣流量采集模塊。暖氣流量采集模塊是由霍爾流量傳感器為主要部件，完成對(duì)進(jìn)入住戶暖氣系統(tǒng)的水量的測(cè)量?；魻柫髁總鞲衅鬏敵鲋禐橹芷诿}沖數(shù)，即是以流過預(yù)先設(shè)定好的熱水流量為一個(gè)計(jì)數(shù)周期，開始輸出計(jì)量個(gè)數(shù)。根據(jù)單片機(jī)的編程原理，采用優(yōu)先中斷模式，計(jì)算所需的流量值（Q）。通過近似公式計(jì)算出熱量損耗值q=Q（Tl-T2），其中Q，Tl，T2分別為流量值，進(jìn)出、口溫度值。

（4）溫度控制執(zhí)行模塊。采用的是可控開度的數(shù)字流量閥作為執(zhí)行部件，與單片機(jī)輸出端口直接相連，輸出控制脈沖序列，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向，從而控制進(jìn)口電動(dòng)閥門的開度，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水流量的改變，達(dá)到設(shè)定溫度，滿足舒適性。由于溫度控制，具有滯后性、非線性、耦合性等特點(diǎn)，所以傳統(tǒng)的PID（比例積分微分）控制對(duì)此特性，表現(xiàn)不好。然而這正是模糊控制的優(yōu)勢(shì)所在，有一定的適應(yīng)性和自身調(diào)節(jié)能力，可有效抑制數(shù)據(jù)波動(dòng)和非線性變化，魯邦性良好。在對(duì)比多組數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，以模糊控制作為主要控制策略，是一個(gè)非常好的組合。模糊推理后，清晰化輸出控制指令，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)口閥門的開度等控制變量。

3 模糊溫度控制器的設(shè)計(jì)

（1）模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)。采用mamdani 推理型（雙輸入、單輸出）模糊控制器，2 個(gè)輸入量，一個(gè)是E，即實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的差值，另一個(gè)是EC，即實(shí)際偏差變化率；輸出量1個(gè)，電動(dòng)閥門開度控制量U。系統(tǒng)中，輸入量進(jìn)行模糊化后，數(shù)據(jù)進(jìn)入推理機(jī)。清晰化后，輸出相應(yīng)的控制量，即控制電動(dòng)閥門轉(zhuǎn)動(dòng)的開關(guān)量以及閥瓣開度的控制量。然后，再與模糊推理出的調(diào)節(jié)因子相結(jié)合，調(diào)節(jié)進(jìn)口流量值，達(dá)到室內(nèi)溫度。

（2）模糊化數(shù)據(jù)。首先，系統(tǒng)設(shè)置輸入變量和輸出變量相對(duì)應(yīng)的論域，并預(yù)先計(jì)算出比例因子αe，αc，αu。數(shù)據(jù)選取采用就近取整原則，得到偏差論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+l，+2，+3，+4，+5，+6}。依照模糊控制系統(tǒng)原理，相對(duì)應(yīng)的模糊變量，采用NL，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PL 等8 個(gè)模糊狀態(tài)，得出隸屬度值（表1）。

采用同樣的方法得EC 的論域?yàn)椋簕-6，-5，-4，-3，-2，-l，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。采用NL、NM，NS，O，PS，PM，PL 等7 個(gè)模糊狀態(tài)，得出隸屬度值（表2）。

同理，得到輸出u 的論域?yàn)椋簕-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7}。同上，也采用負(fù)大［NL］、負(fù)中［NM］、負(fù)?。跱S］、零［O］、正?。跴S］、正中［PM］、正大［PL］等7 個(gè)模糊狀態(tài)，描述變量u，賦值見表3。

（3）模糊推理。由于單片機(jī)的運(yùn)算速度相對(duì)較慢，為了提高溫控系統(tǒng)的運(yùn)算效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，采用在線模糊矩陣計(jì)算求和，得出相應(yīng)輸出變量。當(dāng)瞬時(shí)流量值Q 發(fā)生改變時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將會(huì)將信號(hào)傳輸至模糊推理表中，逐一對(duì)應(yīng)，采取就近原則。多次小幅度調(diào)節(jié)閥門開啟的角度，使控制偏差逐漸趨向于0。推理規(guī)則見表4（-表示無(wú)控制輸出量）。

表1 偏差E（隸屬度）賦值表

表2 偏差變化率EC（隸屬度）賦值表

表3 輸出值U 賦值表

（4）數(shù)據(jù)清晰化。采用簡(jiǎn)單易懂的加權(quán)平均法，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的模糊決策。變量U（k）經(jīng)過清晰化推算后，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制變量，存儲(chǔ)運(yùn)算結(jié)果。溫控系統(tǒng)開始運(yùn)行后，系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)將會(huì)匯集，并查表得到就近明確控制量。然后，輸出控制量輔助以適當(dāng)?shù)谋壤蜃?，得出更接近現(xiàn)實(shí)的輸出脈沖，控制電動(dòng)閥門動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

4 實(shí)際測(cè)量結(jié)果

制作安裝完成后，放置于室內(nèi)，進(jìn)行實(shí)地的測(cè)量。測(cè)量工具為水銀溫度計(jì)，放置位置為室內(nèi)的對(duì)角線交叉點(diǎn)附近，高度（1.2～1.5）m。測(cè)量時(shí)段為1 天（環(huán)境溫度為（-6～2）℃），分為12個(gè)時(shí)段，2 h 測(cè)一次，將測(cè)量結(jié)果與設(shè)定值（22 ℃）進(jìn)行比較，對(duì)比數(shù)據(jù)見圖1。

表4 推理規(guī)則表

圖1 溫差—時(shí)間曲線

從圖1 可以看出，設(shè)定溫度為22 ℃時(shí)，單戶室溫調(diào)控系統(tǒng)可以達(dá)到很好的效果，調(diào)節(jié)的幅度為（-0.4～0.3），Δt2為0.54?；貧w曲線顯示R2=0.471。兩者值基本吻合，而且從調(diào)節(jié)的幅度上看，系統(tǒng)并未出現(xiàn)明顯的超調(diào)現(xiàn)象，也未出現(xiàn)調(diào)節(jié)不及時(shí)的情況。從中可以看出，對(duì)于溫控系統(tǒng)等滯后系統(tǒng)，同時(shí)具備非線性等特點(diǎn)，模糊控制是一個(gè)兼具性價(jià)比的選擇。它具有傳統(tǒng)控制系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，快速適應(yīng)，同時(shí)還能夠確實(shí)有效地抑制發(fā)散趨勢(shì)。模糊控制系統(tǒng)，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的使用后，積累了一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)后，將會(huì)自動(dòng)調(diào)試控制表的取值，控制調(diào)節(jié)次數(shù)和調(diào)節(jié)幅度會(huì)越來越少，最終趨于控制穩(wěn)定。

出現(xiàn)的調(diào)節(jié)幅度極值，可能的原因是室內(nèi)溫度的測(cè)量誤差，或者是模糊變量的論域選取的有些欠缺。但從整體上看，該系統(tǒng)完全可以滿足室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)的需求。

5 總結(jié)

以單片機(jī)為硬件核心，以模糊控制作為軟件核心的供暖單戶室溫調(diào)控系統(tǒng)，可以對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)控，給住戶一個(gè)想要的溫度，既滿足了住戶，又節(jié)約了能源，還通過暖氣流量的測(cè)量，近似得出住戶所耗的熱能并做好統(tǒng)計(jì)，為供暖管網(wǎng)的調(diào)節(jié)提供依據(jù)。