本站原创【摘 要】电热水器是目前家庭中常用的电器设备,为居民洗浴及其他生活用热水提供了方便.然而常规的控制算法存在控制性能欠佳的问题,使水温稳定性较差.针对这一情况,本文结合传统分级控制响应时间快,超调小以及PID控制控制精度高的特点,提出了一种新型的控制算法,并应用在电热水器温度控制系统中,结果表明具有较好的控制精度和动态响应.
【关 键 词】温度控制；电热水器；分级控制
电热水器是居民日常生活中常见的电器设备,具有加热效率高、体积小、无污染、噪声小、运行安全可靠、自动化程度高等优点.目前许多企业的电热水器都采用断续控制,加热存在着不连续性.因此,这种方法对水温控制存在控制精度不高,控制水平不高,算法粗糙,控制效果不佳等特点,并且不能判断温度上升或下降,使控制算法滞后于温度的变化.另外,温度控制一阶纯滞后的大惯性环节,如果采用连续控制的方式,则无法解决控制精度与动态性能之间的矛盾,会引起较大的振荡.本文在分析多断续控制和PID连续控制的基础上,根据其各自的优缺点,提出了一种新型的分级控制算法,并将其应用在电热水器温度控制中.
1.系统设计原理
2.锅炉温度控制系统的硬件设计
(1)单片机.采用AT89C51单片机,它是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压,高性能CMOS8位微处理器,其性能完全满足系统设计需要且比较经济.
(2)温度传感器.采用美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20,可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理.由于每片DS1820含有唯一的硅串行数所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片.从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息,仅需要一根口线(单线接口).读写及温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS1820供电,而无需额外电源.
(3)可控硅.用一条I/O线与可控硅的控制端相连接,并通过程序输出导通脉冲的宽度和导通时间.采用光耦元件TLP521在控制部分进行光电隔离,此外采用变压器隔离实现弱强电的电源隔离.
(4)继电器.可以采用松乐SRC-12VDC-SL-C继电器作为电加热丝的控制开关.由于单片机的输出电压不能直接驱动继电器,因此必须在单片机与继电器之间设置一个驱动电路,来控制继电器的动作.论文采用ULN2803实现信号的放大及驱动.ULN2803由8组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管构成,具有同时驱动8组负载的能力,它具有电流增益高、带负载能力强、温度范围宽及工作电压高等特点,适合驱动继电器、显示器等大功率器件.
3.锅炉温度控制系统的实现
3.1主程序流程图
由硬件电路图可知,电热丝组可分为5组,其中,第1,2,3,4号大功率电热丝由继电器控制,只控制其开关,用于实现断续控制.第5号小功率电热丝通过可控硅进行连续控制.锅炉温度控制由两个阶段组成,多级加热阶段和PID连续控制阶段.设锅炉的给定值为100,将检测值与设定值比较,当差值大于10进入多级加热阶段,当差值小于等于10进入PID连续控制阶段.其流程图如图3所示.
3.2分级控制
4.实验结果以及与常规PID算法的比较
本文将分级控制算法应用在锅炉的温度控制系统中,设计目标是在同样的控制精度条件下,使系统的过渡时间尽可能短,改善控制效果.采用这种控制算法,既解决了而控制精度与动态响应之间的矛盾,又具有PID控制精度高的特点、使系统能有效抑制纯滞后的影响,而且鲁棒性强,当参数变化较大及有干扰时,仍能取得较好的控制效果.
5.结论
本文运用分级控制与PID控制相结合的方法对电热水器的温度进行控制.该控制算法可以解决控制精度与动态响应之间的矛盾,防止反方向调节和温度振荡的发生,同时,使用PID控制,提高控制精度.当控制偏差较大时采用多级控制,以加快响应速度,并防止振荡；当控制偏差较小进入稳态过程时,由程序切换到PID控制,提高控制精度.实验结果表明,分级控制与PID复合控制的结果,其过程时间、最大超调量均优于PID控制算法和传统的断续控制.总之,这种多级控制与PID控制相结合的控制方法在过程控制领域将具有较好的应用前景.