太陽能熱水系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)研究

盧 帥，朱政通，栗偉周

(許昌學(xué)院 工程技術(shù)中心，河南 許昌 461000)

在太陽能熱利用中，太陽能熱水器應(yīng)用廣泛，既環(huán)保又能緩解資源緊張.在國家提倡和支持利用新能源和可再生能源的背景下，太陽能熱水器已成為可再生能源市場(chǎng)上需求量最大、發(fā)展最為迅速的產(chǎn)品之一[1,2].然而，目前國內(nèi)市場(chǎng)上的太陽能熱水器控制系統(tǒng)功能單一、抗干擾能力差，往往起不到良好的控制效果.基于上述原因，對(duì)比國內(nèi)外太陽能控制器，在分析熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電氣控制的基礎(chǔ)上，本文研制開發(fā)了能實(shí)時(shí)滿足太陽能供熱需求的控制器.

太陽能熱利用系統(tǒng)是一個(gè)大慣性、純滯后、參數(shù)時(shí)變的非線性復(fù)雜系統(tǒng)[3-5]，如何實(shí)現(xiàn)其智能控制，是太陽能熱利用控制系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的一個(gè)難點(diǎn).本文在滿足系統(tǒng)需求的前提下，設(shè)計(jì)了相應(yīng)控制器的硬件電路和便于開發(fā)、使用和維護(hù)的系統(tǒng)軟件.最后系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，修正和優(yōu)化控制規(guī)則，控制器能很好的達(dá)到控制效果.

1 太陽能熱水系統(tǒng)描述

太陽能熱水器系統(tǒng)由太陽能熱水器和太陽能控制器組成.太陽能熱水器是由集熱器、蓄熱水箱、循環(huán)泵、連接管道、支架及其輔助零部件(電力或燃?xì)獾容o助能源)等組成[6].太陽能集熱器和太陽能蓄熱水箱內(nèi)分別安裝溫度傳感器，通過兩個(gè)溫度傳感器實(shí)時(shí)采集集熱介質(zhì)溫度和水箱中水溫度信號(hào).采集后通過信號(hào)調(diào)理電路將溫度值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓值，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為控制器可控制顯示的數(shù)字信號(hào)[7,8].

在控制電路中，將采集的兩個(gè)溫度進(jìn)行比較，當(dāng)差值達(dá)到預(yù)先給定的設(shè)定值時(shí)，且水箱溫度未達(dá)到指定溫度時(shí)，控制器通過控制算法水泵調(diào)速，換熱管的熱介質(zhì)不斷循環(huán)，與水箱中水不斷置換熱量.當(dāng)兩者溫差小于給定值或水箱中水達(dá)到指定溫度時(shí)，水泵停止工作[9].控制器是控制供熱的核心部分，由按鍵輸入，顯示，檢測(cè)和控制電路等組成.其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

系統(tǒng)還配有輔助熱源，在冬天或者連續(xù)陰雨天太陽能輻射量很小時(shí)，開啟輔助加熱控制，通過電加熱或鍋爐來加熱蓄水箱中的水.控制器便于人機(jī)交互，通過按鍵，用戶可以設(shè)定所需的各個(gè)參數(shù)值，并在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示.

圖1 太陽能熱水系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

2 軟硬件系統(tǒng)開發(fā)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

太陽能供熱系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)是硬件平臺(tái)的選擇和外圍相關(guān)電路的整體設(shè)計(jì).為實(shí)現(xiàn)本控制系統(tǒng)的功能要求，所設(shè)計(jì)的硬件電路主要完成以下功能：首先滿足整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模塊的供電要求，其次采用溫度傳感器多路溫度采集，輔助恒流源和多路開關(guān)電路，通過A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算出實(shí)時(shí)的采集溫度值，進(jìn)行溫度比較處理，最后根據(jù)溫度的處理結(jié)果經(jīng)微控制器內(nèi)部算法計(jì)算輸出相應(yīng)的PWM波，控制水泵的轉(zhuǎn)速來加熱蓄水箱，加入了人機(jī)交互，設(shè)計(jì)了鍵盤輸入和LCD顯示，可以直觀的觀察系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)及人為的控制系統(tǒng)加熱.

本設(shè)計(jì)選用了性價(jià)比較高的ATmega169PA芯片用于控制，圖2為硬件系統(tǒng)總體框架圖.

圖2 硬件系統(tǒng)總體框圖

2.2 軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[10,11]，分別實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，這樣有助于程序的調(diào)試，增加程序的可讀性和可移植性.

圖3為系統(tǒng)軟件主程序流程圖，軟件設(shè)計(jì)是前后臺(tái)式的，即以查詢的方式作為后臺(tái)主程序，各種中斷作為前臺(tái)工作程序.后臺(tái)主程序?qū)崿F(xiàn)聲明變量、設(shè)置單片機(jī)寄存器、變量、各個(gè)模塊初始化、配置和使能相應(yīng)中斷等功能.實(shí)際的加熱控制運(yùn)行在前臺(tái)的中斷服務(wù)程序中.

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

本設(shè)計(jì)提出PID、模糊自整定PI、比例因子模糊自整定PID三種算法來設(shè)計(jì)控制器，比較系統(tǒng)的優(yōu)越性.

3 實(shí)驗(yàn)分析與研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)條件

搭建了太陽能供熱系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，考慮到加熱裝置具有普遍慣性的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)負(fù)載采用電燉鍋來代替太陽能循環(huán)水泵.考慮到環(huán)境變化對(duì)供熱系統(tǒng)的影響，在電燉鍋未開蓋和開蓋兩種情況下，分別加熱1L水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試.由于太陽能供熱源在實(shí)時(shí)中是波動(dòng)的，實(shí)驗(yàn)中采用變壓器，通過調(diào)節(jié)供壓交流電來產(chǎn)生電壓干擾.控制器通過鉑熱電阻PT1000來實(shí)時(shí)采集水溫，執(zhí)行相應(yīng)算法程序來控制電燉鍋的開關(guān)，從而控制水的加熱.注入水的初始溫度為17.5 ℃左右，系統(tǒng)目標(biāo)溫度設(shè)置為42.5 ℃.設(shè)置與目標(biāo)溫度的溫差小于等于20 ℃才開始算法控制調(diào)節(jié)，溫差大于20℃時(shí)，不進(jìn)行算法調(diào)節(jié).

3.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

圖4是控制水溫過程中的電壓波動(dòng)干擾曲線圖，每5分鐘變化20 V，波動(dòng)范圍為180 V～260 V，基準(zhǔn)電壓為220 V，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為90分鐘.以下實(shí)驗(yàn)是在此供電電壓波動(dòng)情況下的結(jié)果.

考慮到實(shí)驗(yàn)的偶然性及誤差因素，在此觀察兩次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制效果.

(1)加熱1 L水未開蓋時(shí)，三種算法的第一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)matlab圖如圖5a所示.

圖4 電壓波動(dòng)干擾曲線圖

第二次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)matlab圖如圖5b所示.

三種算法的性能參數(shù)比較結(jié)果如表1所示.

從圖5和參數(shù)表1可以看出PID、模糊自整定PI、比例因子模糊自整定PID三種方法加熱的上升時(shí)間和峰值時(shí)間依次遞減，能夠排除數(shù)據(jù)的偶然性.具體來看，圖5a中55分鐘到90分鐘之間，PID溫度波動(dòng)較大，圖5b中波動(dòng)區(qū)別不明顯.參考表1，模糊自整定PI兩次實(shí)驗(yàn)超調(diào)量比較大，為0.7%，穩(wěn)態(tài)誤差PID比較大，為±0.7%，綜合來看，比例因子模糊自整定PID響應(yīng)時(shí)間快，超調(diào)量小，波動(dòng)小，控制效果最好.

(2)為了考察加熱環(huán)境變化對(duì)系統(tǒng)加熱的影響，加熱1 L水開蓋時(shí)，三種算法的第一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)matlab圖如圖6a所示.

表1 未開蓋時(shí)三種算法結(jié)果比較

第二次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)matlab圖如圖6b所示.

圖5a 未開蓋三種算法的曲線對(duì)比圖(第一次)

圖5b 未開蓋三種算法的曲線對(duì)比圖

圖6a 開蓋三種方法的曲線對(duì)比圖(第一次)

圖6b開蓋三種方法的曲線對(duì)比圖(第二次)

三種算法的性能參數(shù)比較結(jié)果如表2所示.

表2 開蓋時(shí)三種算法結(jié)果比較

從兩次Matlab圖和表2可以看出，PID、模糊自整定PI、比例因子模糊自整定PID三種控制算法加熱的上升時(shí)間和峰值時(shí)間依次遞減，波動(dòng)效果區(qū)別不明顯，能夠排除實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偶然性.參考表2，PID兩次實(shí)驗(yàn)超調(diào)量較大，穩(wěn)態(tài)誤差比例因子模糊自整定PID最小.綜合來看，比例因子模糊自整定PID響應(yīng)時(shí)間快，超調(diào)量小，波動(dòng)小，控制效果最好.

從表1和表2對(duì)比可以看出，由于加熱外部環(huán)境的變化，系統(tǒng)各項(xiàng)性能參數(shù)有所變化，上升和峰值時(shí)間，穩(wěn)態(tài)誤差變大，抗干擾性較未開蓋情況下變差，但差別較小.對(duì)于一個(gè)大慣性特性的加熱系統(tǒng)來說，這個(gè)差別可以忽略不計(jì).在每種實(shí)驗(yàn)情況下，采用PID控制算法的上升和峰值時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差大.采用模糊PI，比例因子模糊自整定PID控制算法的上升速度較PID快，但同時(shí)超調(diào)量有時(shí)會(huì)有所增大.綜合來看，比例因子模糊自整定PID響應(yīng)速度快，較為穩(wěn)定，魯棒性好.由于系統(tǒng)為大慣性系統(tǒng)，可以接受這種方法所產(chǎn)生的超調(diào)，所以本設(shè)計(jì)采用比例因子模糊自整定PID控制方法.

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了以電源、AD芯片、多路開關(guān)、鍵盤等組成的硬件系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度采集，處理分析、控制和人機(jī)交互等功能，完成了主程序和各模塊的軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試.提出了三種算法，通過實(shí)驗(yàn)獲得了不同算法在不同加熱情況下的具體數(shù)據(jù)，確定了系統(tǒng)運(yùn)用比例因子模糊自整定PID控制算法.經(jīng)過測(cè)試，該控制器響應(yīng)速度快、魯棒性好，且隨著外部環(huán)境的變化抗干擾能力強(qiáng)，保證了控制器實(shí)際應(yīng)用的穩(wěn)定性.

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