用水箱模拟太阳能热水器实验系统设计

2014-05-03吕淑平刘文君王鹏宇

实验技术与管理 2014年5期

吕淑平，刘文君，于鑫，王鹏宇

（哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001）

在太阳能产业中最成熟的产品应首推太阳能热水器［1］，尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主、电能为辅的能源利用方式，可全年全天候使用。

水箱是自动化类专业实验室常见的实验设备，本文就电辅助加热太阳能热水器的具体应用，基于水箱设计了太阳能热水器控制实验系统。该系统可实现定时水位检测和自动上水、Bang－Bang控制、PID控制、模糊控制等多个实验项目。系统不但硬件简单、造价低廉，更能使学生理论联系实际，提高学生动手实践能力［2－3］。

1 系统总体设计

系统以单片机STC89C52RC为控制器，采用DS18B20数字温度传感器测量水温，以DS12C887为系统提供高精度时钟，使用压力传感器检测液位，并能够定时检测水位和自动上水、实时显示加热时间和温度。通过PID或模糊控制算法得到控制量，通过PWM波控制过零继电器方法来控制加热棒的功率，从而控制水温［4－6］。用水箱模拟太阳能热水器控制系统组成如图1所示。

2 主要硬件设计

2.1 温度控制执行器

该系统的水温控制执行部分是一个过零固态继电器和加热棒，继电器输入控制端为DC 3～32V，输出端为AC 5A/380V/50～60Hz，加热棒功率为500～1 000W。通过控制单片机产生PWM波的占空比控制交流过零继电器的通断频率，从而实现对加热棒的功率控制。为了减小温度惯性和时间延迟，在水箱中加入一个倾斜一定角度的搅拌器以增加水的总体流动，并使温度值在水层中均匀分布。

图1 用水箱模拟太阳能热水器控制系统组成

2.2 温度测量部分

采用数字温度传感器DS18B20，其抗干扰能力强，并且不必要温度标定，使用单片机分时复用原理与传感器的单总线接口方式即可实现数据通信［7－9］。DS18B20的硬件电路见图2。

图2 DS18B20的硬件电路

2.3 水位检测与自动上水部分

选用松下D3B压力传感器测量水位，压力范围0～9.8kpa（0～1 000mm 水柱），输出电压为0.2～4.9V，线性度为0.2%。在信号线处需要一个1～4.7 kΩ上拉电阻。电路接线和DS18B20电路相似。自动上水部分采用二位二通电磁阀。为了保证可靠性，在单片机输出端连入达林顿管TIP127驱动电路驱动电磁阀。

压力传感器将水箱底部的水压转换为对应的电压值，经ADC0804转换为数字量后送入单片机，单片机将采集到的数据与设定值相比较，若水位较低则启动电磁阀自动上水，反之则关闭电磁阀。单片机通过定时器T0对水位进行定时检测，以保证水位能够始终保持在正常范围内。

3 软件设计

软件部分包括采用C语言编程的下位机软件和采用 Visual Basic 6.0编程的上位机软件，基于模糊算法的下位机软件运行流程图见图3。

图3 下位机软件运行流程图

上位机软件在编辑过程中主要使用了MSComm通信控件、Timer定时器控件和图表绘制控件等。使用上位机界面可以很直观地观察水温变化趋势以及动态、稳态性能等，还能根据显示曲线来对控制对象进行建模与参数整定［10－12］。

4 温度控制实验项目设计

4.1 模糊控制实现方法

目前大多数产品的电辅助加热方式的控制策略常采用开关式或PID控制，但由于太阳能本身是一个时变的复杂非线性变量，太阳能热水器的集热和辅助加热过程无法精确地用数学模型描述，采用传统控制方式有时难以达到满意的效果。近年来发展起来的模糊控制在家用电器和其他嵌入式控制系统中取得了很好的控制效果。模糊控制系统结构如图4所示。

图4 模糊控制系统结构

系统采用二维模糊控制器，以温度误差和温度误差的变化率作为模糊控制器的输入信号，模糊控制器输出控制量为U，单片机再根据U值确定输出PWM波的占空比。时间设置值也作为控制器的输入信号，用于对占空比进行时间上的优化［5－6］。

将模糊控制器的输入、输出变量的实际变化范围称为这些变量的基本论域。本系统中的温度误差e、温度误差的变化率ec、控制量u的基本论域分别为：［－2，＋2］，［－0.2，＋0.2］和［0，100%］。

误差语言变量E所取的模糊集合的论域为：

E＝｛－10，－9，－8，－7，－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6，＋7，＋8，＋9，＋10｝；误差的变化率语言变量EC所取的模糊集合的论域为：EC＝｛－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5｝；控制量语言变量U所取的模糊集合的论域为：U＝｛0，1，2，3，4，5｝。

因此本系统的输出语言变量的语言值取6个：当U＝0时，单片机PWM脚输出低电平，即PWM波的占空比为零，交流过零固态继电器不导通，加热功率为零；当U＝1时，PWM波的占空比为20%；以此可以类推到U＝5时的情况。

在实际的程序设计中，可以借助Matlab模糊逻辑工具箱Fuzzy Logic Toolbox以及预设模糊规则制成一个适用于单片机C程序的模糊控制表。程序只需计算出E和EC，即可通过查表找出控制量U。模糊控制程序实现流程图如图5所示。

图5 模糊控制程序实现流程图

4.2 功率－时间控制实现方法

在未加入对设定时间有关的功率控制的前提下，初始温度在18～25℃时，使用本文前述的模糊控制加热方式加热到设定值（45℃）大约需要10～15min。设c为常压下水的比热容，m为水箱中水的质量，P0为加热器额定功率，P为实际控制功率，U为模糊控制量，当时间设定为t0＝15min时有

式中θ为水温，Q散为散热量。

当水温较低时（θmax≤45℃），暂时不计系统向环境中的散热作用，可得到

温度－时间控制的任务实际是保证在不同的初始温度和设置时间条件下，Δθ大致保持定值。因此，当不考虑散热影响时，可以将时间分档为t＝15×k（min）的档位，对于相应的功率控制，就应当把功率缩减为15min控制时的1/k，即当设定时间为t＝15×k（min）时有：

如果考虑到不同环境下初始温度的差异以及散热的影响，当初始温度较高时（程序中设定θ0≥22℃），那么就需在（4）式基础上，略微减小实时输出功率，即将分母中的k改为k＋a，其中a的值需要设计者在实际调试中结合具体的水箱调因子以及控制程序中采用的中断时间倍率而定。本设计中将PWM波的高电平持续最小时间设定为150ms，而中断时间单元为15ms，所以倍率为10，取a＝0.2～0.6的某一值，因此有

式（5）等号两边积分后得

（6）式即为初始温度较高时温度控制式。只需在程序中设置不同初始温度下选择对应调整因子a的值，即可在不同初始温度条件下实现较为理想的温度－时间控制。显然，该控制过程功能在执行之前，还要进行初始温度的检测和控制模式的选择。在加热开始前，单片机先采集一定数量的水温值，然后进行均值滤波，确定系统加热的初始温度，据此判断调整因子的取值。实际的控制效果见图6。