單片機與模糊控制的供暖單戶室溫調控系統

孫大海，艾秀娟，吳紅光

（中國石油集團渤海裝備制造有限公司第一機械廠，河北滄州 062658）

0 引言

國內目前的供暖形式基本上是集中供暖、單戶單循環。這種形式較以往的上供下回的單管順流系統，有了很大的可調節性。現通用的是自力式流量閥，調節不靈活且不準確，為此，住戶安裝室內型溫度自動調節系統，既提升了舒適度，又避免能源的浪費。

1 設計思路

（1）給一個假定的運行環境。以一個恒定的暖氣溫度為基準，通過溫度、流量的采集和計算，不斷地自我調節，使室內溫度值逐漸接近設定值。利用公式，計算出住戶消耗的熱量值，反饋至系統，指導下一次的調節。

（2）假定暖氣溫度t 保持恒定，系統的核心設備為室內系統內嵌的單片機，通過室內溫度采集模塊反饋的溫度值，與住戶預先設定好的舒適溫度進行對比，反復調整后，將計算結果輸出至系統的執行機構-供暖系統進水口的電動調節閥。經過一定時間后，通過采集系統數據與設定值的再次比對，進行微調節。同時，由進出口溫度計算出供回水溫差，再由模擬流量系統的流量值，計算出用戶所使用的熱量值。

2 室溫調控系統的硬件組成

（1）智能控制模塊。因為室內溫度系統是一個大滯后系統，建立精確的數學模型是非常困難的，所以采用模糊控制技術對室內溫度進行調節，既可以避免傳統控制的局限性，又能夠提高室內溫度的控制精度。智能控制模塊組成：89C51 單片機、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系統內暖氣溫度的二次測量。因為溫度值自身所具有的滯后性和非時限性以及局部耦合性，考慮到經濟性和精確性，優先選擇選用鉑電阻測量供暖分段系統進、出口溫度Tl和T2，用DS18B20 溫度傳感器，檢測當前的室溫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，完成對進入住戶暖氣系統的水量的測量。霍爾流量傳感器輸出值為周期脈沖數，即是以流過預先設定好的熱水流量為一個計數周期，開始輸出計量個數。根據單片機的編程原理，采用優先中斷模式，計算所需的流量值（Q）。通過近似公式計算出熱量損耗值q=Q（Tl-T2），其中Q，Tl，T2分別為流量值，進出、口溫度值。

（4）溫度控制執行模塊。采用的是可控開度的數字流量閥作為執行部件，與單片機輸出端口直接相連，輸出控制脈沖序列，調節電機的轉角和轉向，從而控制進口電動閥門的開度，實現進水流量的改變，達到設定溫度，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，所以傳統的PID（比例積分微分）控制對此特性，表現不好。然而這正是模糊控制的優勢所在，有一定的適應性和自身調節能力，可有效抑制數據波動和非線性變化，魯邦性良好。在對比多組數據基礎上，以模糊控制作為主要控制策略，是一個非常好的組合。模糊推理后，清晰化輸出控制指令，以實現進口閥門的開度等控制變量。

3 模糊溫度控制器的設計

（1）模糊控制器的基本結構。采用mamdani 推理型（雙輸入、單輸出）模糊控制器，2 個輸入量，一個是E，即實際溫度與設定溫度的差值，另一個是EC，即實際偏差變化率；輸出量1個，電動閥門開度控制量U。系統中，輸入量進行模糊化后，數據進入推理機。清晰化后，輸出相應的控制量，即控制電動閥門轉動的開關量以及閥瓣開度的控制量。然后，再與模糊推理出的調節因子相結合，調節進口流量值，達到室內溫度。

（2）模糊化數據。首先，系統設置輸入變量和輸出變量相對應的論域，并預先計算出比例因子αe，αc，αu。數據選取采用就近取整原則，得到偏差論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，+l，+2，+3，+4，+5，+6}。依照模糊控制系統原理，相對應的模糊變量，采用NL，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PL 等8 個模糊狀態，得出隸屬度值（表1）。

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

同理，得到輸出u 的論域為：{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7}。同上，也采用負大［NL］、負中［NM］、負小［NS］、零［O］、正小［PS］、正中［PM］、正大［PL］等7 個模糊狀態，描述變量u，賦值見表3。

（3）模糊推理。由于單片機的運算速度相對較慢，為了提高溫控系統的運算效率，增強系統的實時性，采用在線模糊矩陣計算求和，得出相應輸出變量。當瞬時流量值Q 發生改變時，數據采集系統將會將信號傳輸至模糊推理表中，逐一對應，采取就近原則。多次小幅度調節閥門開啟的角度，使控制偏差逐漸趨向于0。推理規則見表4（-表示無控制輸出量）。

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）數據清晰化。采用簡單易懂的加權平均法，對上述數據進行一系列的模糊決策。變量U（k）經過清晰化推算后，轉換成相應的控制變量，存儲運算結果。溫控系統開始運行后，系統的各種數據將會匯集，并查表得到就近明確控制量。然后，輸出控制量輔助以適當的比例因子，得出更接近現實的輸出脈沖，控制電動閥門動作，實現控制目標。

4 實際測量結果

制作安裝完成后，放置于室內，進行實地的測量。測量工具為水銀溫度計，放置位置為室內的對角線交叉點附近，高度（1.2～1.5）m。測量時段為1 天（環境溫度為（-6～2）℃），分為12個時段，2 h 測一次，將測量結果與設定值（22 ℃）進行比較，對比數據見圖1。

表4 推理規則表

圖1 溫差—時間曲線

從圖1 可以看出，設定溫度為22 ℃時，單戶室溫調控系統可以達到很好的效果，調節的幅度為（-0.4～0.3），Δt2為0.54。回歸曲線顯示R2=0.471。兩者值基本吻合，而且從調節的幅度上看，系統并未出現明顯的超調現象，也未出現調節不及時的情況。從中可以看出，對于溫控系統等滯后系統，同時具備非線性等特點，模糊控制是一個兼具性價比的選擇。它具有傳統控制系統不可比擬的優勢，快速適應，同時還能夠確實有效地抑制發散趨勢。模糊控制系統，經過長時間的使用后，積累了一定的數據基礎后，將會自動調試控制表的取值，控制調節次數和調節幅度會越來越少，最終趨于控制穩定。

出現的調節幅度極值，可能的原因是室內溫度的測量誤差，或者是模糊變量的論域選取的有些欠缺。但從整體上看，該系統完全可以滿足室內溫度調節的需求。

5 總結

以單片機為硬件核心，以模糊控制作為軟件核心的供暖單戶室溫調控系統，可以對室內溫度進行調控，給住戶一個想要的溫度，既滿足了住戶，又節約了能源，還通過暖氣流量的測量，近似得出住戶所耗的熱能并做好統計，為供暖管網的調節提供依據。