智能热泵恒温调节系统研究

王延年,李 浩

(西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710048)

节能和环保是21世纪经济发展面临的重大问题.随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高,人们对生活热水的要求不断提高.然而燃气热水器和电热水器作为传统的热水装置具有能耗大、费用高、污染严重等缺点;太阳能热水器虽然节能环保,但是其运行受到气象条件的制约,具有一定的局限性.所以急需寻找它们的替代产品,而空气能热泵热水器以其节能、环保、高效的特点被逐渐重视和应用.近几年,空气能热泵热水器迅速发展,但是其技术核心仍然是温度调节控制系统.由于温度是一个大滞后、时变性、非线性的被控对象,数学模型难以准确建立,并且热泵热水器的工作环境不是特定的,所以其特性参数具有多变性和不确定性,要做到在不同的工作环境中恒温出水,就要对温度调节控制系统做出深入的研究.目前,国内外对这方面也做了很多的研究.基于AT89S52单片机的PID恒温控制系统采用的是8位的单片机作为核心处理器[1],这种设计简单易于实现,但单片机的处理速度慢,控制精度不高;增量式PID控制算法运用在温控系统中,虽然可以在一定程度上抑制超调[2],但系统的反应时间稍慢,同时无法保证在寒冷的地方快速出水;通常热泵热水器主机与从机之间的通信采用的是RS485通信的方式[3],这种通信方式能够满足通信的要求,但是在某些环境下,线路的铺设不方便.为此,本文设计了一种以TMS320F2812和STM32F103为双核心的控制器,两者之间通过ZigBee进行无线传输,并且有液晶显示器显示系统的工作状态.在控制算法上采用的是复合智能控制算法,这种复合控制比传统的PID控制具有更快的动态响应特性,更小的超调和更高的稳态精度.

1 结构设计与功能实现

智能热泵恒温出水装置由压缩机、冷凝器、蒸发器、温度调节控制系统、水流调节阀组成[4].蒸发器里的液态制冷剂通过蒸发器吸收空气里的热能,在蒸发器内部蒸发汽化,然后压缩机抽取蒸发器里汽化后的制冷剂气体进行压缩,压缩后变成了高温高压的制冷剂,然后进入冷凝器使其从汽化状态转化为液化状态,在转化的过程中,释放出大量的热量,从而实现了冷水加热的目的.而此装置的核心部分是温度调节控制系统,根据出水温度和用户设定温度的差值,采用复合智能PID控制算法来控制步进电机的转动速度大小以及正反转的方向,从而控制阀门的开度,以此来调节单位时间内进入热泵冷凝器中的冷水量,实现热水装置的恒温出水.

2 硬件组成

温度调节控制系统的电路模块如图1所示,主要分为恒温控制主机、键盘-显示从机和阀门位置检测板3个部分.恒温控制主机分为电源系统、信号采集系统、信号输出系统和功率驱动系统4个模块;键盘-显示从机分为键盘输入系统和液晶显示系统2个模块.控制主机采集温度、流量、阀位信号和主控信号,经过处理之后,控制步进电机的转动速度以及电机的正反转方向;键盘-显示从机则可以实现水流量、水温等信息的显示以及输入参数的设定[3].阀门位置检测板主要用来检测阀位信号,从而在主机中进行处理,以此来控制步进电机.同时恒温控制主机部分为了防止断电之后所设置的PID参数丢失,扩展了EEPROM存储器,采用的是ATMEL公司的AT24C32芯片,可以保存通过按键设置的参数信息.恒温控制主机和键盘-显示从机之间采用的是ZigBee无线通信技术,利用复合智能PID控制算法实现热泵热水器的恒温出水.

图1 温度调节控制系统

2.1 恒温控制主机硬件组成

恒温控制主机主要外围电路模块如图2所示.恒温控制主机以TMS320F2812芯片[5]作为算法实现平台;外围的电源、时钟、复位、JTAG接口及片外SDRAM是系统的基本组成部分;由温度传感器采集来的温度信号经过光电隔离电路后传送给DSP芯片,利用芯片内ADC模块转换为数字信号,DSP对数字信号进行处理.DSP对功率驱动器进行控制,进而控制步进电机的转动速度和步进电机的转动方向,改变阀门的开度,控制进入水箱的冷水的水流量大小.

图2 恒温控制主机主要外围电路模块

2.2 键盘-显示从机硬件组成

键盘-显示从机的主要外围电路模块如图3所示.键盘-显示从机以STM32F103为核心,此部分液晶主要用于显示用户设定的目标温度和流量信息以及参数的设定,键盘主要用于更改目标温度和一些参数的设定以及在查询状态和设定状态之间的切换.

图3 键盘-显示从机的主要外围电路模块

2.3 ZigBee通信部分的设计

恒温控制主机部分和键盘-显示从机部分之间采用的是ZigBee无线通信方式.由于恒温控制主机放置在室外,而键盘-显示从机放在室内,所以如果采用ZigBee通信方式可以有效地减少信号线敷设工作量和成本造价,以及后期的维护工作.此部分的无线射频收发装置采用的是CC2430+CC2591的模块,TI公司的CC2430是常见的无线射频收发芯片,而在协调节点和路由节点上增加了CC2591作为射频前端,可以有效地提高发送功率和接收灵敏度,增加传输距离至200m，网络的覆盖范围也有所增大.

2.4 外围模块设计

2.4.1 温度采集电路 温度传感器采用单总线数字芯片DS18B20[6-7],它采用单总线(1-wire)技术,将地址、数据线和控制线合为一根双向串行传输的信号线,不需要A/D转换,精度高,具有结构简单,便于总线扩展和维护等优点.利用Dallas的单总线控制协议和单线控制信号在总线上来实现数据的读写.DS18B20温度传感器采用不锈钢封装,并且在传输线外侧加有屏蔽层,可以有效地防止采集温度信号时外界的干扰[3].由于主机部分和从机部分距离远,所以为了防止在传输过程中数据传输错误,在软件编写中加入了CRC校验,确保温度信号可以被准确地采集传输与显示.本系统的4个温度传感器分别采集环境温度、入水温度、水箱温度和出水温度4种温度.将采集到的出水温度和用户的设定温度进行比较计算出偏差,根据偏差量的大小区间,系统可以自动选择合适的PID控制参数.

2.4.2 阀门位置检测电路 步进电机控制阀门的关小和开大的过程中,有2个极端位置分别是全开状态和全闭状态.尤其是阀门处于全闭状态时,阀门会关死,从而导致水温的急速上升,造成压缩机的保护停机.因此,当步进电机控制阀门动作进而控制进水流量时,必须检测阀门的全开状态和全关状态,并做出相应的处理.阀门位置检测电路采用的是霍尔元件A3144E,在阀门处于全开和全闭状态时,送出低电平信号,而在其他状态时,送出高电平信号.初始状态时,阀门处于全开位置.阀门位置检测板安装在步进电机上,为了防止干扰,进行了光耦隔离.

3 程序流程及温控算法

3.1 程序流程

温度控制系统的软件部分主要采用模块化结构,主要包括系统的主程序、温度检测子程序、PID子程序、键盘液晶驱动子程序、电机子程序、ZigBee通信子程序、EEPROM子程序、报警子程序等等.程序流程图如图4所示.由于该系统是一个典型的大滞后系统,加上还有许多的外界变化因素,传统的PID控制算法无法满足要求,所以,本方案采用复合智能PID控制算法.(1)为了使空气能热水器快速并且稳定地达到目标温度,稳定后温度变化的范围微小,采取首次阀门开度技术使进水量快速接近目标温度要求值;(2)为了使空气能热水器出水温度达到70°以上,有效防止温度超调量过大,采取温度斜率参与控制来提前控制温度的快速上升;(3)为了实现寒冷地区恒温出水,采取阀门跟踪技术来解决该问题;(4)通过采集到的环境温度可以确定不同的季节,同时将采集到的出水温度和用户的设定温度进行比较，计算出偏差,根据偏差量大小的区间范围系统可以自动选择对应的PID控制参数,所以本系统具有一定的自适应能力,可以适应不同地区和季节的恒温出水.

图4 程序主流程

3.2 复合智能温控算法

在该恒温控制系统中,由于系统是通过控制阀门开度来控制进水流量,进而控制水温,而水温的上升和下降都需要一定的缓冲时间,所以该系统是一个典型的大滞后系统.加上环境温度、进水温度、水压的变化影响,出水温度将满足下列函数关系式:

T出水=λ×f(Q,P,T进水) .

(1)

其中,λ为温度影响因子,Q为流量,P为水压.

由于该系统是一个典型的大滞后系统,加上环境温度,进水温度,水压的变化影响,故单纯的数字PID无法满足控制的要求.所以在温度调节控制系统采用的是复合智能PID控制算法,所谓的PID控制就是按照检测值与设定值之间偏差的比例,偏差的积累和偏差变化的趋势进行控制,它根据采样时刻的偏差值计算控制量[8].所以,PID控制规律的实现,必须用数值逼近法.令u(t)为控制量,c(t)为实际输出量,r(t)为系统给定量,e(t)=r(t)-c(t).Kp为比例系数,Ki为积分系数,Kd为微分系数.

(2)

当采样周期足够短时,可以用求和代替积分,用差商代替微分,令t=kT,k为采样序号,k=1,2…,所以式(2)可以变换为

(3)

式中,u(k)为第k次控制系统输出值,e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值,e(k-1)为第(k-1)次采样时刻输入的偏差值.根据递推原理可得

(4)

式(3)和式(4)是位置式PID算法.位置式PID控制的输出与整个过去的状态有关,用到了误差的累加值.而增量式PID的输出只与当前拍和前两拍的误差有关,因此位置式PID控制的累积误差相对更大.用式(3)减去式(4),可得增量式PID控制算法.

Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)].

(5)

由于增量式PID输出的是控制量增量,如果计算机出现故障,误动作影响较小,而执行机构本身有记忆功能,可仍保持原位,不会严重影响系统的工作.所以,复合智能控制算法就是在增量式PID算法的基础上加入首次阀门开度技术、温度斜率参与控制技术、阀门跟踪技术、自适应计算参数等构成了本系统的优化调节算法.

4 测试结果与分析

在某型号热泵热水器上实测得到如图5所示的测试曲线,其中环境温度为20℃,目标温度为60℃,其中图5中曲线a为采用传统数字PID的测试结果,曲线b为采用复合智能PID的测试结果.从图5的曲线(a)可知当设定温度为60℃时,温度需要经过13min才能达到稳定输出状态,输出温度约为58.5℃,温度的超调量约为6℃.从图5的曲线(b)可知当设定温度为60℃时,温度需要经过5min就能达到稳定输出状态,输出温度约为59.5℃,温度的超调量约为1.5℃.

图5 传统数字PID测试曲线目标温度60℃

通过对图6,7两种测试曲线的对比可以发现,复合智能控制算法到达稳定温度的时间短,超调量小,误差小,有很好的控制效果.

5 结束语

本文所设计的智能热泵热水器的恒温调节部分是以DSP和STM32为硬件平台,在传统的增量式PID控制算法中加入了首次阀门开度技术,温度斜率控制技术和阀门跟踪技术等形成了适合本系统的复合智能PID控制算法,从而实现了热水器在不同温度环境下的恒温出水.具有调节时间短,超调量小,振荡幅度小等优点.该系统采用了4组PID参数控制,可根据不同的气候差异和地理环境,自动选择合适的PID参数组,同时也可以在现场重新对PID参数进行设置.经过理论计算和实际测试,该系统具有控制简单、调节方便、可靠性高、适应性强等优点,提高了测量精度,具有广阔的工程应用前景.

参考文献：

[1] 陈铁强,李克天,刘吉安,等.基于AT89S52单片机的PID恒温控制系统的开发和实验研究[J].机电工程技术,2009,38(9):52-54.

[2] 严晓照,张兴国.增量式 PID控制在温控系统中的应用[J].南通大学学报：自然科学版,2006,5(4):48-51.

[3] 王延年,郭卫松,朱耀麟.空气源热水器恒温控制系统的优化设计与实现[J].电子测量技术,2012,35(11):53-57.

[4] 马璐,张华俊.空气源热泵热水器的发展[J].现代科技,2009,8(10):96-97.

[5] 王延年,郭卫松,陈苗苗.基于DSP的高精度智能电液伺服控制器的设计[J].西安工程大学学报,2013,27(2):198-201.

[6] 李善寿,方潜生,肖本贤,等.基于单片机的恒温控制器的设计和实现[J].计算机技术与发展,2010,18(12):197-199.

[7] 王战备.多点温度循环检测与自动调节系统设计[J].国外电子测量技术,2011,30(3)：71-73.

[8] 刘迪,谭春亮,李建海,等.基于数字PID和89C52单片机的温度控制系统[J].电子设计工程,2010,18(4):28-30.