基于模糊溫度控制的住宅供暖調(diào)節(jié)器的設(shè)計

姜久超,劉 日韋,張 斌

(1.河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校 電氣自動化系,河北 滄州 061001;2.滄州市供電公司,河北 滄州 061001)

我國居住類建筑的采暖供熱現(xiàn)在主要以熱電廠和區(qū)域鍋爐房為主要熱源。 GB50019-2003《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中,明確規(guī)定冬季民用建筑室內(nèi)采暖溫度為16～24℃,冬季北方各城市室內(nèi)采暖溫度普遍規(guī)定18℃。在進(jìn)行室內(nèi)采暖系統(tǒng)設(shè)計時,設(shè)計人員應(yīng)考慮按戶熱表計量和分室控制溫度的可能性?，F(xiàn)在新建建筑一般都能做到按戶控制設(shè)計,但大多數(shù)還是按面積收費,從設(shè)計規(guī)范和建筑節(jié)能來看,按戶熱量收費和分室控溫已是發(fā)展方向。以單片機(jī)為核心,基于模糊溫度控制,面向家庭的智能住宅供暖調(diào)節(jié)控制器的研究,對推行熱量計費、節(jié)約能源有著重要的意義。

1 供暖調(diào)節(jié)控制器簡述

節(jié)能供暖控制器主要由溫度檢測、單片機(jī)模糊控制、時鐘、鍵盤、液晶顯示、驅(qū)動電路、電動執(zhí)行和短信報警模塊組成,系統(tǒng)框圖如圖 1所示。

本裝置具有中文液晶實時顯示室內(nèi)溫度、設(shè)定溫度、設(shè)定時間段及日期等參數(shù);可隨時改變設(shè)定溫度和時間段從而改變供熱流量;在設(shè)定溫度范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)閥門開度,保證供熱舒適度和節(jié)能;還可以進(jìn)行無人時的短信報警控制,使系統(tǒng)按主人要求自動工作等功能。

溫度測量傳感器首先將室內(nèi)溫度信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號送單片機(jī),與設(shè)定溫度相比較,經(jīng)模糊控制后,輸出給電動執(zhí)行信號,從而控制電動閥的開度,達(dá)到控制熱流量的目的。使室內(nèi)溫度達(dá)到一個最佳值,而熱能的消耗處在一個最小值。裝置還可以按照設(shè)定的不同模式運(yùn)行,模式不同,閥門開度也不一樣;通過手機(jī)短信形式,還可以無線控制裝置的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 供暖控制器系統(tǒng)框圖

2 溫度模糊控制器的設(shè)計

房間的溫度變化由于干擾因素多、有關(guān)參數(shù)變化范圍較大等原因,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。模糊控制技術(shù)的控制算法由控制規(guī)則和推理機(jī)構(gòu)組成,能方便地描述控制操作人員的控制經(jīng)驗,不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型,便可達(dá)到較好的控制效果,非常適用于溫度控制系統(tǒng)[1]。

2.1 模糊控制的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用二維模糊控制[2],結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)模糊變量為:e(溫差 ),ec(溫差變化率),u(輸出量)。e=T0-T1為給定溫度值T0與實測溫度值T1的差值,ec由計算機(jī)算出的溫差變化率,經(jīng)模糊后形成溫差 E和溫差的變化率EC,再經(jīng)模糊推理決策輸出控制變量U,U對應(yīng)電動閥門的開度。

圖2 模糊控制過程框圖

2.2 模糊化

溫差E和溫差的變化率EC表達(dá)為:負(fù)大(NB),負(fù)中 (NM),負(fù)小 (NS),零(ZO),正小 (PS),正中 (PM),正大(PB)共7個模糊子集。溫差E的論域為E=[-3,+3],精確量可以劃分為7級;溫差變化率論域與溫差相同,選取模糊子集與溫差也相同。他們的隸屬度函數(shù)選擇為三角形,如圖3所示。輸出變量取U的偏差ΔU,取負(fù)大 (NB),負(fù)中(NM),負(fù)小 (NS),零 (ZO),正小(PS),正中 (PM),正大(PB)共 7個模糊子集,分別對應(yīng)為閥門的開度即:開度小、開度偏小、開度較小、開度適中、開度較大、開度偏大、開度大[3][4]。

圖3 E-EC的隸屬度函數(shù)

2.3 模糊控制規(guī)則

該系統(tǒng)為雙輸入單輸出模糊控制,根據(jù)過程控制的實際經(jīng)驗得到推理語言規(guī)則[5]:

IF{溫差為負(fù)大 AND溫差變化率為正大}THEN{輸出控制增量為正大閥門開度大}寫成符號形式為

在應(yīng)用模糊控制器實際控制時,一定的偏差和偏差變化率就有相應(yīng)的IF-T HEN控制規(guī)則生效,而這些生效的控制規(guī)則產(chǎn)生一個綜合的推斷結(jié)論,再按取隸屬函數(shù)最大值的原則求出相應(yīng)的控制量,并通過解模糊過程轉(zhuǎn)換為一個確定的輸出值,控制電動閥的開度。最后得到的總的模糊控制規(guī)則如表 1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

3 控制系統(tǒng)仿真

控制系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4和圖5所示(設(shè)定室內(nèi)溫度18℃ )。

圖4 室內(nèi)溫度高于18℃的模糊仿真曲線

圖5 室內(nèi)溫度低于18℃的模糊仿真曲線

4 結(jié)論

通過模糊控制調(diào)節(jié)冬季室內(nèi)供暖溫度,從控制效果和仿真效果來看,模糊控制有著顯著的優(yōu)點和工程意義[6],能對復(fù)雜時變和非線性的控制系統(tǒng)模仿,升華控制經(jīng)驗和策略,進(jìn)行具有智能特點的控制。該控制系統(tǒng)具有實時性好、控制速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但由于室內(nèi)溫度為一個大滯后環(huán)節(jié),冬季供暖的質(zhì)量高低(供水溫度、管道壓力、熱交換站的工作性能的優(yōu)越與否等)也直接影響著室內(nèi)溫度的變化和質(zhì)量。

[1]姜久超,劉日韋.居住建筑供暖調(diào)節(jié)器設(shè)計 [J].暖通空調(diào),2010,40(9),131-132.

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[6]涂岱昕,田雨辰,李建興.室內(nèi)供暖系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)與節(jié)能分析 [J],暖通空調(diào),2008,38(8):60-61.