摘要：針對(duì)我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)煤改電的需求，通過對(duì)暖氣混水系統(tǒng)的控制技術(shù)研究，提出了一種新的暖氣混水系統(tǒng)的控制方案，并完成了相關(guān)的軟硬件及控制算法的設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)由單片機(jī)控制器、溫度傳感器、編碼器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及串口通訊模塊等模塊組成。在暖氣混水系統(tǒng)的軟件及控制算法上，提出了采用一階數(shù)字濾波及數(shù)字式二階平均濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，使用PID控制的方法，通過調(diào)節(jié)熱水閥來(lái)調(diào)節(jié)混水的水溫，并且可以將實(shí)時(shí)溫度通過串口通訊返回給上位機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制系統(tǒng)能夠完成供暖系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定控制。

　　關(guān)鍵詞：暖氣混水系統(tǒng);PID算法;數(shù)字濾波;溫度控制

　　伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們生活水平不斷提高，生產(chǎn)和生活對(duì)環(huán)境的影響日益嚴(yán)重。為滿足社會(huì)的發(fā)展和百姓對(duì)生活品質(zhì)的要求，中國(guó)政府近年來(lái)大大加強(qiáng)了環(huán)境保護(hù)力度，尤其是京津冀地區(qū)、以及華北其他各省，迅速出臺(tái)了一系列嚴(yán)格的環(huán)保政策。政策鼓勵(lì)冬季供暖使用晚間的峰谷電[1]，并給與力度很大的優(yōu)惠政策。將晚間的電能轉(zhuǎn)換為熱能存儲(chǔ)在水箱中，白天將水箱中的熱水通過水溫調(diào)節(jié)器釋放出來(lái)，供農(nóng)村家庭白天供熱使用，成為政府煤改電工程的重要技術(shù)措施。

　　針對(duì)此問題，開展了暖氣混水系統(tǒng)控制技術(shù)的研究。暖氣混水系統(tǒng)由以下幾部分組成：電磁加熱器、儲(chǔ)熱水箱和暖氣散熱器、混水控制系統(tǒng)。其工作原理是：在夜晚峰谷電的時(shí)間段開啟電磁加熱器，利用峰谷電加熱儲(chǔ)熱水箱中的水。峰谷電時(shí)間段過去之后，白天關(guān)閉電磁加熱器，暖氣混水系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)出水管中的水溫，根據(jù)設(shè)定的溫度和出水管中的實(shí)際溫度，控制儲(chǔ)熱水箱中的水排向暖氣散熱器，使出水管溫度中的水溫達(dá)到設(shè)定的溫度。針對(duì)暖氣混水系統(tǒng)控制需求的特點(diǎn)，研究暖氣快速調(diào)節(jié)至設(shè)定溫度，提高系統(tǒng)效率的方法，并節(jié)約供暖成本。

　　1系統(tǒng)工作原理

　　暖氣混水系統(tǒng)[2]由上位機(jī)、控制器、編碼器、電機(jī)、溫度傳感器、熱水水閥和暖氣散熱器組成。其中控制器接收到上位機(jī)下發(fā)的水溫預(yù)設(shè)值，并發(fā)出采集出水管溫度指令。獲得水溫與預(yù)設(shè)水溫之差，即水溫偏差。通過PID算法計(jì)算出熱水閥所需打開程度，即電機(jī)所需旋轉(zhuǎn)的角度，并發(fā)出打開電機(jī)的指令。電機(jī)帶動(dòng)水閥轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器能夠讀取電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度參數(shù)，將角度參數(shù)與PID計(jì)算得到的角度值進(jìn)行對(duì)比。

　　如果溫度偏差不在規(guī)定的偏差范圍，則繼續(xù)調(diào)整電機(jī)位置參數(shù)。如此循環(huán)直至溫度偏差達(dá)到規(guī)定偏差。每隔固定的一段時(shí)間，通過串口通訊將水溫的變化數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。控制器從上位機(jī)獲取預(yù)設(shè)水溫，并定時(shí)向上位機(jī)上傳溫度參數(shù)�？刂破鹘邮沼蓽囟葌鞲衅骱途幋a器獲得的溫度數(shù)據(jù)和角度數(shù)據(jù)，并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向以及旋轉(zhuǎn)的角度，以此調(diào)節(jié)出水管中的水溫。單片機(jī)控制器采用串口通訊的方法上傳數(shù)據(jù)至上位機(jī)。

　　其中串口通訊采用中斷的方法實(shí)現(xiàn)。溫度傳感器可以測(cè)量暖氣中水的溫度，并及時(shí)將水的溫度上傳控制器。編碼器可以測(cè)量電機(jī)所旋轉(zhuǎn)的角度，從而得知水閥打開的程度，并及時(shí)將水閥的打開程度轉(zhuǎn)換為電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度。電機(jī)可以帶動(dòng)水閥控制暖氣中熱水的注入速度。電機(jī)接受控制器發(fā)送的指令，將水閥置于適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

　　2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1外部接口

　　暖氣混水系統(tǒng)的所有外部接口功能[3]與外設(shè)的接口用下列方法實(shí)現(xiàn)。控制器的外部接口電路包括串行通訊接口、溫度采集接口、編碼器采集接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制接口。其中溫度采集接口、編碼器采集接口分別和外設(shè)中的溫度傳感器與編碼器相連，電機(jī)驅(qū)動(dòng)、控制接口與電機(jī)相連。電機(jī)與水閥、水閥與暖氣硬件上相連，溫度傳感器插入出水管內(nèi)部。

　　2.2模塊硬件選擇

　　系統(tǒng)中的硬件模塊由以下功能模塊組成：控制器：STC單片機(jī)為主構(gòu)成的系統(tǒng)。溫度傳感器[4]：DS18B20溫度傳感器。編碼器：1024線相對(duì)編碼器。電機(jī)模塊：步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的控制器、水閥，電機(jī)與水閥相連。

　　2.3控制算法

　　溫度控制模塊為PID算法[5]，對(duì)采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。處理之后將計(jì)算所得的角度工程參數(shù)，傳輸至電機(jī)模塊。使得電機(jī)模塊根據(jù)溫度控制模塊的輸出對(duì)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

　　2.3.1控制流程

　　首先設(shè)定溫度(rt)，將(rt)與作為負(fù)反饋溫度傳感器所得到的實(shí)時(shí)水溫c(t)相減，得到的差值為偏差e(t)。將得到的偏差e(t)送入PID控制器進(jìn)行PID算法處理，得到處理結(jié)果為一個(gè)脈沖個(gè)數(shù)u(t)。脈沖個(gè)數(shù)u(t)控制電機(jī)的狀態(tài)，使電機(jī)控制水閥放出熱水加熱暖氣，再通過溫度傳感器所得到的實(shí)時(shí)水溫c(t)，將其與預(yù)設(shè)溫度作差，得到偏差e(t)。如此循環(huán)直至水溫偏差e(t)到達(dá)混水系統(tǒng)的設(shè)定偏差范圍之內(nèi)。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在完善硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，STC12C5A60S2單片機(jī)軟件系統(tǒng)[8]根據(jù)功能可劃分為如下8個(gè)模塊。

　　1)系統(tǒng)初始化模塊：該模塊的功能是完成系統(tǒng)的初始化，包括設(shè)置定時(shí)器的初值與定時(shí)器寄存器;設(shè)置定時(shí)中斷、外部中斷以及通訊中斷的方式;設(shè)置所有I/O口的輸出方式;設(shè)定所有變量的初始值。

　　2)通訊管理模塊[9]：暖氣混水系統(tǒng)的通訊功能主要包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：?jiǎn)纹瑱C(jī)接收上位機(jī)發(fā)送達(dá)給系統(tǒng)的指令;單片機(jī)向上位機(jī)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。

　　3)溫度采集模塊[10]：溫度傳感器采用DS18B20，測(cè)溫范圍0～100℃，固有測(cè)溫誤差0.5℃。溫度傳感器可編程的分辨率為9～12位，溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式的數(shù)據(jù)，單次最大值采樣時(shí)間為750ms。暖氣混水系統(tǒng)會(huì)按照固定的時(shí)間間隔采集溫度，作為水閥控制的依據(jù)。

　　4)編碼器數(shù)據(jù)采集模塊[11]：編碼器采用相對(duì)編碼器，編碼器旋轉(zhuǎn)角度為0°～180°。編碼器軸與電機(jī)軸相連，指示電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度值，以確定電機(jī)帶動(dòng)水閥打開的程度。

　　5)電機(jī)運(yùn)行控制模塊[12]：CPU通過向電機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)位置。CPU通過向電機(jī)發(fā)出高低電平信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

　　6)溫度控制模塊：控制器通過獲得水溫與預(yù)設(shè)值之差，即水溫偏差。利用PID算法計(jì)算熱水閥所需打開程度。如果偏差變大就加大熱水排出量，反之減小熱水排出量。如此調(diào)整直到偏差在規(guī)定偏差范圍之內(nèi)。

　　7)時(shí)鐘管理模塊：利用CPU的定時(shí)器T0進(jìn)行計(jì)時(shí)功能，從而得到系統(tǒng)守時(shí)的時(shí)鐘。

　　8)看門狗模塊[13]：看門狗定時(shí)器對(duì)CPU提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)，在發(fā)生程序進(jìn)入死循環(huán)或跑飛等故障時(shí)，將單片機(jī)復(fù)位，用以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　通過STC單片機(jī)上的定時(shí)器、UART及DS18B20分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間、串口通訊及溫度采集[14]。運(yùn)行程序時(shí)，控制器首先將控制器中各個(gè)參數(shù)進(jìn)行初始化。其次接收上位機(jī)注入控制器中的預(yù)設(shè)溫度值。之后開始采集溫度的操作，并進(jìn)行一次喂狗以確保程序的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　將采集到的溫度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值的溫度參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。如果兩個(gè)溫度參數(shù)符合規(guī)定的溫度偏差，則繼續(xù)采集溫度工程參數(shù)，直到不滿足規(guī)定的溫度偏差。如果不滿足規(guī)定的溫度偏差，將對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行理，并控制電機(jī)運(yùn)行。直到電機(jī)運(yùn)行到預(yù)定位置，再重新采集溫度數(shù)據(jù)。

　　4濾波算法

　　系統(tǒng)每分鐘讀取一次水溫，考慮到實(shí)際環(huán)境特點(diǎn)，為防止環(huán)境溫度錯(cuò)讀，需要對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。濾波采用如下的算法：若溫度超過一定范圍，則認(rèn)為本次溫度讀取錯(cuò)誤，保持上次溫度值不變。在溫度數(shù)據(jù)正確讀取的的基礎(chǔ)上，通過一階滯后濾波法及數(shù)字式平均法[15]進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)。

　　5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度控制曲線，在暖氣混水系統(tǒng)剛開始啟動(dòng)的時(shí)候，混水溫度增長(zhǎng)相對(duì)迅速，增幅約為每30s增長(zhǎng)1℃。在18分鐘左右增幅開始下滑約至每30s增長(zhǎng)0.3℃。在36.5分鐘時(shí)即將到達(dá)預(yù)設(shè)溫度48℃，此時(shí)混水溫度開始小范圍調(diào)節(jié)至預(yù)設(shè)溫度[17]。在41分鐘時(shí)，溫度趨向穩(wěn)定，達(dá)到了穩(wěn)態(tài)。

　　6結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)暖氣混水系統(tǒng)的控制需求提出了一個(gè)創(chuàng)新性的解決方案，通過現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)⒗�用晚間峰谷電加熱的水，按照設(shè)定的溫度注入到暖氣散熱片中[18]，大大節(jié)約了供暖成本，對(duì)于未來(lái)節(jié)約能源，造福百姓，環(huán)保供暖有著重大的意義。

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