暖气混水系统的控制技术研究

　　摘要：针对我国北方农村地区煤改电的需求，通过对暖气混水系统的控制技术研究，提出了一种新的暖气混水系统的控制方案，并完成了相关的软硬件及控制算法的设计。控制系统由单片机控制器、温度传感器、编码器、电机驱动模块以及串口通讯模块等模块组成。在暖气混水系统的软件及控制算法上，提出了采用一阶数字滤波及数字式二阶平均滤波算法对数据进行滤波，使用PID控制的方法，通过调节热水阀来调节混水的水温，并且可以将实时温度通过串口通讯返回给上位机。实验结果表明，控制系统能够完成供暖系统温度的稳定控制。

　　关键词：暖气混水系统;PID算法;数字滤波;温度控制

　　伴随着中国经济的迅猛发展，人们生活水平不断提高，生产和生活对环境的影响日益严重。为满足社会的发展和百姓对生活品质的要求，中国政府近年来大大加强了环境保护力度，尤其是京津冀地区、以及华北其他各省，迅速出台了一系列严格的环保政策。政策鼓励冬季供暖使用晚间的峰谷电[1]，并给与力度很大的优惠政策。将晚间的电能转换为热能存储在水箱中，白天将水箱中的热水通过水温调节器释放出来，供农村家庭白天供热使用，成为政府煤改电工程的重要技术措施。

　　针对此问题，开展了暖气混水系统控制技术的研究。暖气混水系统由以下几部分组成：电磁加热器、储热水箱和暖气散热器、混水控制系统。其工作原理是：在夜晚峰谷电的时间段开启电磁加热器，利用峰谷电加热储热水箱中的水。峰谷电时间段过去之后，白天关闭电磁加热器，暖气混水系统会检测出水管中的水温，根据设定的温度和出水管中的实际温度，控制储热水箱中的水排向暖气散热器，使出水管温度中的水温达到设定的温度。针对暖气混水系统控制需求的特点，研究暖气快速调节至设定温度，提高系统效率的方法，并节约供暖成本。

　　1系统工作原理

　　暖气混水系统[2]由上位机、控制器、编码器、电机、温度传感器、热水水阀和暖气散热器组成。其中控制器接收到上位机下发的水温预设值，并发出采集出水管温度指令。获得水温与预设水温之差，即水温偏差。通过PID算法计算出热水阀所需打开程度，即电机所需旋转的角度，并发出打开电机的指令。电机带动水阀转动，编码器能够读取电机旋转的角度参数，将角度参数与PID计算得到的角度值进行对比。

　　如果温度偏差不在规定的偏差范围，则继续调整电机位置参数。如此循环直至温度偏差达到规定偏差。每隔固定的一段时间，通过串口通讯将水温的变化数据发送给上位机。控制器从上位机获取预设水温，并定时向上位机上传温度参数。控制器接收由温度传感器和编码器获得的温度数据和角度数据，并控制电机的转速、转向以及旋转的角度，以此调节出水管中的水温。单片机控制器采用串口通讯的方法上传数据至上位机。

　　其中串口通讯采用中断的方法实现。温度传感器可以测量暖气中水的温度，并及时将水的温度上传控制器。编码器可以测量电机所旋转的角度，从而得知水阀打开的程度，并及时将水阀的打开程度转换为电机旋转的角度。电机可以带动水阀控制暖气中热水的注入速度。电机接受控制器发送的指令，将水阀置于适当的位置。

　　2系统设计

　　2.1外部接口

　　暖气混水系统的所有外部接口功能[3]与外设的接口用下列方法实现。控制器的外部接口电路包括串行通讯接口、温度采集接口、编码器采集接口、电机驱动和控制接口。其中温度采集接口、编码器采集接口分别和外设中的温度传感器与编码器相连，电机驱动、控制接口与电机相连。电机与水阀、水阀与暖气硬件上相连，温度传感器插入出水管内部。

　　2.2模块硬件选择

　　系统中的硬件模块由以下功能模块组成：控制器：STC单片机为主构成的系统。温度传感器[4]：DS18B20温度传感器。编码器：1024线相对编码器。电机模块：步进电机、步进电机的控制器、水阀，电机与水阀相连。

　　2.3控制算法

　　温度控制模块为PID算法[5]，对采集到的温度数据进行滤波处理。处理之后将计算所得的角度工程参数，传输至电机模块。使得电机模块根据温度控制模块的输出对电机状态进行调整。

　　2.3.1控制流程

　　首先设定温度(rt)，将(rt)与作为负反馈温度传感器所得到的实时水温c(t)相减，得到的差值为偏差e(t)。将得到的偏差e(t)送入PID控制器进行PID算法处理，得到处理结果为一个脉冲个数u(t)。脉冲个数u(t)控制电机的状态，使电机控制水阀放出热水加热暖气，再通过温度传感器所得到的实时水温c(t)，将其与预设温度作差，得到偏差e(t)。如此循环直至水温偏差e(t)到达混水系统的设定偏差范围之内。

　　3系统软件设计

　　在完善硬件平台的基础上，STC12C5A60S2单片机软件系统[8]根据功能可划分为如下8个模块。

　　1)系统初始化模块：该模块的功能是完成系统的初始化，包括设置定时器的初值与定时器寄存器;设置定时中断、外部中断以及通讯中断的方式;设置所有I/O口的输出方式;设定所有变量的初始值。

　　2)通讯管理模块[9]：暖气混水系统的通讯功能主要包含两个方面的内容：单片机接收上位机发送达给系统的指令;单片机向上位机发送采集到的数据。

　　3)温度采集模块[10]：温度传感器采用DS18B20，测温范围0～100℃，固有测温误差0.5℃。温度传感器可编程的分辨率为9～12位，温度转换为12位数字格式的数据，单次最大值采样时间为750ms。暖气混水系统会按照固定的时间间隔采集温度，作为水阀控制的依据。

　　4)编码器数据采集模块[11]：编码器采用相对编码器，编码器旋转角度为0°～180°。编码器轴与电机轴相连，指示电机的旋转角度值，以确定电机带动水阀打开的程度。

　　5)电机运行控制模块[12]：CPU通过向电机发出脉冲信号，控制电机的转速和旋转位置。CPU通过向电机发出高低电平信号，控制电机的转向。

　　6)温度控制模块：控制器通过获得水温与预设值之差，即水温偏差。利用PID算法计算热水阀所需打开程度。如果偏差变大就加大热水排出量，反之减小热水排出量。如此调整直到偏差在规定偏差范围之内。

　　7)时钟管理模块：利用CPU的定时器T0进行计时功能，从而得到系统守时的时钟。

　　8)看门狗模块[13]：看门狗定时器对CPU提供了独立的保护系统，在发生程序进入死循环或跑飞等故障时，将单片机复位，用以保证系统的正常运行。

　　通过STC单片机上的定时器、UART及DS18B20分别实现系统时间、串口通讯及温度采集[14]。运行程序时，控制器首先将控制器中各个参数进行初始化。其次接收上位机注入控制器中的预设温度值。之后开始采集温度的操作，并进行一次喂狗以确保程序的稳定运行。

　　将采集到的温度数据与预设值的温度参数进行对比。如果两个温度参数符合规定的温度偏差，则继续采集温度工程参数，直到不满足规定的温度偏差。如果不满足规定的温度偏差，将对温度数据进行理，并控制电机运行。直到电机运行到预定位置，再重新采集温度数据。

　　4滤波算法

　　系统每分钟读取一次水温，考虑到实际环境特点，为防止环境温度错读，需要对温度数据进行滤波。滤波采用如下的算法：若温度超过一定范围，则认为本次温度读取错误，保持上次温度值不变。在温度数据正确读取的的基础上，通过一阶滞后滤波法及数字式平均法[15]进一步处理数据。

　　5实验结果

　　根据预先设定的温度控制曲线，在暖气混水系统刚开始启动的时候，混水温度增长相对迅速，增幅约为每30s增长1℃。在18分钟左右增幅开始下滑约至每30s增长0.3℃。在36.5分钟时即将到达预设温度48℃，此时混水温度开始小范围调节至预设温度[17]。在41分钟时，温度趋向稳定，达到了稳态。

　　6结束语

　　针对暖气混水系统的控制需求提出了一个创新性的解决方案，通过现场的实际运行，达到了设计要求，能够将利用晚间峰谷电加热的水，按照设定的温度注入到暖气散热片中[18]，大大节约了供暖成本，对于未来节约能源，造福百姓，环保供暖有着重大的意义。

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