用水箱模擬太陽能熱水器實驗系統設計

呂淑平，劉文君，于 鑫，王鵬宇

（哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

在太陽能產業中最成熟的產品應首推太陽能熱水器［1］，尤其是帶輔助電加熱功能的太陽能熱水器，它以太陽能為主、電能為輔的能源利用方式，可全年全天候使用。

水箱是自動化類專業實驗室常見的實驗設備，本文就電輔助加熱太陽能熱水器的具體應用，基于水箱設計了太陽能熱水器控制實驗系統。該系統可實現定時水位檢測和自動上水、Bang－Bang控制、PID控制、模糊控制等多個實驗項目。系統不但硬件簡單、造價低廉，更能使學生理論聯系實際，提高學生動手實踐能力［2－3］。

1 系統總體設計

系統以單片機STC89C52RC為控制器，采用DS18B20數字溫度傳感器測量水溫，以DS12C887為系統提供高精度時鐘，使用壓力傳感器檢測液位，并能夠定時檢測水位和自動上水、實時顯示加熱時間和溫度。通過PID或模糊控制算法得到控制量，通過PWM波控制過零繼電器方法來控制加熱棒的功率，從而控制水溫［4－6］。用水箱模擬太陽能熱水器控制系統組成如圖1所示。

2 主要硬件設計

2.1 溫度控制執行器

該系統的水溫控制執行部分是一個過零固態繼電器和加熱棒，繼電器輸入控制端為DC 3～32V，輸出端為AC 5A/380V/50～60Hz，加熱棒功率為500～1 000W。通過控制單片機產生PWM波的占空比控制交流過零繼電器的通斷頻率，從而實現對加熱棒的功率控制。為了減小溫度慣性和時間延遲，在水箱中加入一個傾斜一定角度的攪拌器以增加水的總體流動，并使溫度值在水層中均勻分布。

圖1 用水箱模擬太陽能熱水器控制系統組成

2.2 溫度測量部分

采用數字溫度傳感器DS18B20，其抗干擾能力強，并且不必要溫度標定，使用單片機分時復用原理與傳感器的單總線接口方式即可實現數據通信［7－9］。DS18B20的硬件電路見圖2。

圖2 DS18B20的硬件電路

2.3 水位檢測與自動上水部分

選用松下D3B壓力傳感器測量水位，壓力范圍0～9.8kpa（0～1 000mm 水柱），輸出電壓為0.2～4.9V，線性度為0.2%。在信號線處需要一個1～4.7 kΩ上拉電阻。電路接線和DS18B20電路相似。自動上水部分采用二位二通電磁閥。為了保證可靠性，在單片機輸出端連入達林頓管TIP127驅動電路驅動電磁閥。

壓力傳感器將水箱底部的水壓轉換為對應的電壓值，經ADC0804轉換為數字量后送入單片機，單片機將采集到的數據與設定值相比較，若水位較低則啟動電磁閥自動上水，反之則關閉電磁閥。單片機通過定時器T0對水位進行定時檢測，以保證水位能夠始終保持在正常范圍內。

3 軟件設計

軟件部分包括采用C語言編程的下位機軟件和采用 Visual Basic 6.0編程的上位機軟件，基于模糊算法的下位機軟件運行流程圖見圖3。

圖3 下位機軟件運行流程圖

上位機軟件在編輯過程中主要使用了MSComm通信控件、Timer定時器控件和圖表繪制控件等。使用上位機界面可以很直觀地觀察水溫變化趨勢以及動態、穩態性能等，還能根據顯示曲線來對控制對象進行建模與參數整定［10－12］。

4 溫度控制實驗項目設計

4.1 模糊控制實現方法

目前大多數產品的電輔助加熱方式的控制策略常采用開關式或PID控制，但由于太陽能本身是一個時變的復雜非線性變量，太陽能熱水器的集熱和輔助加熱過程無法精確地用數學模型描述，采用傳統控制方式有時難以達到滿意的效果。近年來發展起來的模糊控制在家用電器和其他嵌入式控制系統中取得了很好的控制效果。模糊控制系統結構如圖4所示。

圖4 模糊控制系統結構

系統采用二維模糊控制器，以溫度誤差和溫度誤差的變化率作為模糊控制器的輸入信號，模糊控制器輸出控制量為U，單片機再根據U值確定輸出PWM波的占空比。時間設置值也作為控制器的輸入信號，用于對占空比進行時間上的優化［5－6］。

將模糊控制器的輸入、輸出變量的實際變化范圍稱為這些變量的基本論域。本系統中的溫度誤差e、溫度誤差的變化率ec、控制量u的基本論域分別為：［－2，＋2］，［－0.2，＋0.2］和［0，100%］。

誤差語言變量E所取的模糊集合的論域為：

E＝｛－10，－9，－8，－7，－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6，＋7，＋8，＋9，＋10｝；誤差的變化率語言變量EC所取的模糊集合的論域為：EC＝｛－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5｝；控制量語言變量U所取的模糊集合的論域為：U＝｛0，1，2，3，4，5｝。

因此本系統的輸出語言變量的語言值取6個：當U＝0時，單片機PWM腳輸出低電平，即PWM波的占空比為零，交流過零固態繼電器不導通，加熱功率為零；當U＝1時，PWM波的占空比為20%；以此可以類推到U＝5時的情況。

在實際的程序設計中，可以借助Matlab模糊邏輯工具箱Fuzzy Logic Toolbox以及預設模糊規則制成一個適用于單片機C程序的模糊控制表。程序只需計算出E和EC，即可通過查表找出控制量U。模糊控制程序實現流程圖如圖5所示。

圖5 模糊控制程序實現流程圖

4.2 功率－時間控制實現方法

在未加入對設定時間有關的功率控制的前提下，初始溫度在18～25℃時，使用本文前述的模糊控制加熱方式加熱到設定值（45℃）大約需要10～15min。設c為常壓下水的比熱容，m為水箱中水的質量，P0為加熱器額定功率，P為實際控制功率，U為模糊控制量，當時間設定為t0＝15min時有

式中θ為水溫，Q散為散熱量。

當水溫較低時（θmax≤45℃），暫時不計系統向環境中的散熱作用，可得到

溫度－時間控制的任務實際是保證在不同的初始溫度和設置時間條件下，Δθ大致保持定值。因此，當不考慮散熱影響時，可以將時間分檔為t＝15×k（min）的檔位，對于相應的功率控制，就應當把功率縮減為15min控制時的1/k，即當設定時間為t＝15×k（min）時有：

如果考慮到不同環境下初始溫度的差異以及散熱的影響，當初始溫度較高時（程序中設定θ0≥22℃），那么就需在（4）式基礎上，略微減小實時輸出功率，即將分母中的k改為k＋a，其中a的值需要設計者在實際調試中結合具體的水箱調因子以及控制程序中采用的中斷時間倍率而定。本設計中將PWM波的高電平持續最小時間設定為150ms，而中斷時間單元為15ms，所以倍率為10，取a＝0.2～0.6的某一值，因此有

式（5）等號兩邊積分后得

（6）式即為初始溫度較高時溫度控制式。只需在程序中設置不同初始溫度下選擇對應調整因子a的值，即可在不同初始溫度條件下實現較為理想的溫度－時間控制。顯然，該控制過程功能在執行之前，還要進行初始溫度的檢測和控制模式的選擇。在加熱開始前，單片機先采集一定數量的水溫值，然后進行均值濾波，確定系統加熱的初始溫度，據此判斷調整因子的取值。實際的控制效果見圖6。

圖6 模糊控制效果

4.3 分程PID控制實現方法

分程PID控制控制規律為：當偏差e（k）＞ε時，控制器采用Bang－Bang控制；當偏差e（k）≤ε時，以位置式PID的遞推算法方式控制。這樣既可以發揮Bang－Bang控制快速性強的優點，又能發揮PID控制精度高、超調量較小的優點，從而優化系統的控制性能，改善控制效果。

在本設計中，取偏差閾值ε＝5℃，當溫度到達40℃后以位置式PID的遞推算法控制。位置式PID的遞推算法流程圖如圖7所示。

設T為采樣時間，KP為比例增益，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數，對應圖7中的各項參數分別為：

采用分程PID控制的效果曲線見圖8。

圖7 位置式PID的遞推算法流程圖

圖8 分程PID控制效果曲線

5 結束語

經實際測試，本文所設計的實驗系統能夠滿足智能控制實驗項目的要求，適用自動化類專業學生的實驗教學。該系統具有穩態誤差小、過渡時間短、硬件簡單、成本低的優點，學生可自行動手制作。本文算法可作為太陽能熱水器生產廠商產品設計參考。

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