基于IC卡的數(shù)碼熱泵供水系統(tǒng)碩士學位論文.doc

廣西大學工程碩士學位論文 基于IC卡的數(shù)碼熱泵供水系統(tǒng)第一章 緒 論當今社會，環(huán)境污染和能源危機已成為威脅人類生存的頭等大事，如何解決這一問題，已成為全人類的課題。在這種背景下，以環(huán)保和節(jié)能為主要特征的綠色建筑及相應的系統(tǒng)應運而生，而熱泵系統(tǒng)正是滿足這些要求的新興系統(tǒng)之一。熱泵供水系統(tǒng)不僅可以通過低品位可再生能源的應用達到節(jié)能的目的，還具有使用壽命長，加熱速度快，運行穩(wěn)定和易于操作等優(yōu)點。特別是其熱效率超過300%，在目前世界能源普遍缺乏的情況下，將是未來熱水系統(tǒng)的主要產品。熱泵供水系統(tǒng)可以廣泛應用在電廠建設、石油化工、冶金、機械制造、輕紡、食品加工、賓館、學校、溫泉等場所，市場前景廣闊1。1.1 課題的背景及現(xiàn)狀分析1.1.1 熱泵技術簡介熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節(jié)能裝置。顧名思義，熱泵也就是像泵那樣，可以把不能直接利用的低位熱源(如空氣、土壤、水中所含的熱能，太陽能 工業(yè)廢熱等)轉換為可以利用的高位熱能，從而達到節(jié)約部分高位能(如煤、燃氣、油、電等)的目的。熱泵的定義涵蓋了以下幾點:1.熱泵雖然需要消耗一定量的高位能 但所供給用戶的熱量卻是消耗的高位熱能與吸取的低位熱能的總和，因此，熱泵是一種節(jié)能裝置。2.熱泵可由動力機和工作機組成熱泵機組，利用高位能來推動動力機，然后再由動力機來驅動工作機運轉，把低位的熱能輸送至高品位，向用戶供熱。3.熱泵既遵循熱力學第一定律，又遵循著熱力學第二定律。在熱泵定義中明確指出，熱泵是靠高位能拖動、迫使熱量由低溫物體傳遞給高溫物體。 圖1-1 熱泵原理圖Fig 1-1 The principle of heat pump 熱泵的理論基礎起源于 1924年卡諾發(fā)表的關于卡諾循環(huán)的論文。1852年湯姆遜發(fā)表的一篇論文中提出了熱泵的設想，亦稱為熱量放大器。最早的大容量熱泵應用是在美國南加利福尼亞愛迪生公司的落杉磯辦事處，在19301931年間，它將制冷設備用于供熱，供熱量達1050kW。歐洲第一臺較大的熱泵裝置，同時也是水源熱泵是19381939年間在蘇黎世投入運行的。它以河水作為低位熱源，供熱出力 175kW。熱泵經(jīng)歷了一些反復之后，到1973年世界范圍內的能源危機，又一次推動了熱泵的高速發(fā)展2。1.1.2 熱泵熱水器的介紹熱泵熱水器的工作原理可以分為兩個工作循環(huán)，即制冷劑循環(huán)回路和水循環(huán)回路，其工作流程如圖1-1所示。在制冷劑的循環(huán)回路中，壓縮機吸入溫度較高的低壓制冷劑蒸汽，將其壓縮成為高溫高壓的氣體，再將這些高溫高壓氣體送入冷凝器中去進行熱量交換。水循環(huán)回路中，冷水在水泵的作用下，進入到冷凝器，在冷凝器中與高溫高壓氣體進行熱交換，制成熱水。同時，冷凝器中的高溫高壓氣體變成了低溫低壓的氣體或液體，送入儲液罐。制冷劑從儲液罐中輸出后，經(jīng)過濾器、膨脹閥，進入蒸發(fā)器從空氣中吸熱而蒸發(fā)。然后，制冷劑蒸汽再次被壓縮機吸入，開始下一個循環(huán)。通過這樣反復的循環(huán)工作，從而達到對水箱中的水加熱的目的。圖1-2 空氣源熱泵熱水器原理圖Fig 1-2 The principle of air-source heat pump water heater它本身消耗一部分電能，即壓縮機耗電；同時通過工質循環(huán)系統(tǒng)在水冷板式換熱器(即冷凝器)中進行放熱，根據(jù)能量守恒定律有： （1-1）即熱泵輸出的能量為壓縮機做的功和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量之和；通常為的3倍以上，即能源利用效率達300以上，而通常的電熱水器能源利用效率僅為95左右。由此可以看出，熱泵供水系統(tǒng)是一個高效而且節(jié)能解決方案。1.2 熱泵系統(tǒng)的發(fā)展與意義1.2.1 國內外發(fā)展狀況熱泵技術和應用是近年節(jié)能減排先進推廣項目，國外應用相對成九，美國、歐洲國家應用相對廣泛，整機設備先進、控制技術穩(wěn)定，人機接口良好，調試方便，運行可靠，但缺點就是功能單一而且價格昂貴，不適于大量推廣。國內熱泵應用正處于起步階段，研究相對較晚，市場有很大的發(fā)展空間。近兩年市場和研究推廣正在加大，熱泵機組（主要是商用機）產品陸續(xù)上市推廣，但設備控制技術和系統(tǒng)，鮮有報道和成熟產品，綜合電子技術、機電技術、數(shù)學模型分析控制的技術設備亦處于相對空白4。1.2.2 課題研究的意義熱泵技術由來已久，但是作為一種新興能源型產業(yè)，熱泵進入中國市場只有三四年，發(fā)展到現(xiàn)在，市場一直是不溫不火，在全國范圍內也沒有大面積的推廣，但隨著近幾年能源趨緊，尤其是電力短缺，給熱泵市場注入新的活力，并在華南、中南等地區(qū)形成了熱泵經(jīng)濟帶。熱泵市場悄然升溫。據(jù)業(yè)內人士分析，未來幾年，福建的三明、泉州、廈門市場表現(xiàn)較好，福州潛力巨大；廣東將成為熱泵市場主要爭奪地；湖南、江西等市場最具潛力。1.3 課題研究的意義和主要內容設計一套適合熱泵供水系統(tǒng)使用的智能控制系統(tǒng)。能適應各種熱泵供水工程的應用。并要考慮經(jīng)濟性、可靠性、靈活性、可應用擴展等方面的需求。方便快捷的使用熱泵供水系統(tǒng)?；竟δ苋缦拢?定時控制功能，包括定時供水和定時補水及定時加熱等功能。2水位控制，包括水位的補水、加熱及供水的水位控制。3溫度控制功能，包括加熱及供水、回水的溫度控制。4加熱柜的過程控制。5擴展應用，包括太陽能強制循環(huán)控制、多水箱獨立加熱控制、多水箱聯(lián)動加熱控制、電輔熱控制、多路供水及回多路回水控制等及未來可能會遇到的一些應用拓展。6各種控制參數(shù)設置保存顯示，各種運行參數(shù)顯示，一些重要的歷史數(shù)據(jù)的保存。7遠程控制功能，能以RS-485實現(xiàn)短距離的遠程控制(lkm以內），或者采用GPRS方式實現(xiàn)超遠距離的遠程控制（國內GPRS可到達的地方）。1.4 小結本章闡述了熱泵供水系統(tǒng)的研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀，在考慮了熱水系統(tǒng)發(fā)展趨勢的基礎上，討論了本次設計的實際意義，并對本次設計的基本內容進行了說明。第二章 熱泵熱水系統(tǒng)分析熱泵熱水系統(tǒng)除了滿足一般熱水系統(tǒng)的合理要求外，還應具有經(jīng)濟、環(huán)保、美觀、實用等優(yōu)點，并實現(xiàn)熱能利用與建筑的有機結合。因此，熱泵熱水系統(tǒng)的科學設計和合理配置對實現(xiàn)以上功能和特點起著至關重要的作用。熱泵熱水系統(tǒng)通常主要由熱泵機組、主控制器、水箱、加熱控制器設備等部分組成。其結構示意圖如圖2-1所示。圖2-1 熱泵熱水系統(tǒng)示意圖Fig 2-1 heat pump system schematic diagram2.1 熱泵系統(tǒng)方案的選擇主流的熱泵供水系統(tǒng)有直熱和循環(huán)加熱兩種方式。循環(huán)加熱方式的優(yōu)點是結構簡單，在循環(huán)加熱的時候，通過熱泵的水量較大，與熱泵之間的換熱效果較好，效率高于直熱方式。但是當水箱的水量不能很好的控制的時候，如果經(jīng)常出現(xiàn)只用很少的水，而水箱中總是剩余很多的水量的時候，總的運行效率反而不如直熱式了。這是因為此時，熱泵機組總是工作是高溫區(qū)，熱泵的效率大大降低了。直熱方式的優(yōu)點是，補入水箱的水是熱水，因此，能在任何時候補水，包括供水期間。因而在一些需要在一天內多次供水的地方，直熱方式能很好的解決補水以加熱的矛盾，能充分的利用時間進行加熱和供水。而在一些只在特定時間供水，但供水時間比較長的地方，直熱方式也能利用供水的這段時間產熱水，因為水箱的水量且一旦減少，就立刻可以補入熱水，直熱方式的日產水量甚至可以超過主水箱的容量。但是，直熱方式的缺點和它的優(yōu)點一樣突出。首先，直熱方式一次性將經(jīng)過熱泵的冷水直接加熱到設定的溫度，它的流量就不能設計得很大。流體的換熱效率是與流量正相關的關系的，所以它與水的熱交換效率要低于循環(huán)加熱方式。其次，熱泵高壓端壓力與出水溫度成正相關關系，壓縮機的負載也于高端壓力成正相關關系，而直熱方式的出水溫度一直都在用戶的加熱數(shù)值，也就是實際工作的最高溫度，熱泵一直工作在最高的工作壓力下，壓縮機及相應的管件都始終工作在最大的分負載下，對熱泵的壽命有不利的影響。再次，熱泵一直工作在最高的工作壓力，一旦冷水有短時的供應不正常，比如壓力突然變小，可能照成高壓保護故障。考慮了直熱方式和循環(huán)方式的優(yōu)缺點后，在熱泵機組產熱水的實施方式的問題上，采用了一種稱之為加熱柜間接直熱新型的控制方式。這種方式與循環(huán)式加熱相仿，但不是對主水箱進行加熱，而是對一個輔助的小水箱進行加熱，再把加熱好的水補入主水箱中。既能有效的克服傳統(tǒng)循環(huán)方式冷熱水混合造成的實際效率下滑，又能避免了直熱方式由于流過熱泵機組的流量過低，造成熱泵機組的制熱效率降低3。圖2-2 熱泵熱水方案示意圖Fig 2-2 heat pump system design proposal2.2 不同水箱設置方式的節(jié)能特性 儲水和加熱水箱設置方式，見圖2-3a。在儲水和加熱配合方式中，泵1的作用是將儲水箱中的熱水供應到用戶端，回水回到加熱水箱。與自來水補水一起經(jīng)熱泵進行加熱。泵2的作用是將加熱水箱中溫度達到55的熱水抽到儲熱水箱中等待用戶使用。泵3的作用是將加熱水箱的水，抽取經(jīng)過熱泵進行加熱。具體運行模式同傳統(tǒng)水箱配合方式。圖2-3a 儲水和加熱水箱設置方式Fig 2-3a The place of storage and heating tank改進后方式，見圖2-3b。在改進后的方式中，泵3后加一個溫度控制閥。當加熱水箱里的水溫度低于50時，溫控閥呈打開狀，經(jīng)過熱泵機組加熱的水會到加熱水箱，繼續(xù)加熱。當加熱水箱的水溫度達到50時，溫控閥關閉，熱水經(jīng)過熱泵機組加熱后，流入儲水箱，而不是流回加熱水箱繼續(xù)進行加熱。根據(jù)平時的測試，水經(jīng)過一個循環(huán)過程溫度能提高57。當圖2-3b中加熱水箱中的水到了55時，泵1開啟。在這之前，水經(jīng)過泵3進行循環(huán)，當水回到加熱水箱的時候，溫度要達到60，耗費了不必要的能量。同時，在改進系統(tǒng)中沒有泵2，省掉了這部分電能的使用。改進后的系統(tǒng)能進一步達到節(jié)約能源的目的。圖2-3b 改進的儲水和加熱水箱設置方式Fig 2-3b The advance of storage and heating tank2.3 熱泵熱水系統(tǒng)的結構設計圖2-4 熱泵熱水系統(tǒng)結構圖Fig 2-4 Heat pump system chart其中：設定水位：用戶通過主控制器設定的最高水位，可以根據(jù)實際使用情況進行調整，到達設定水位后關閉補水閥。供水水位下限：當水位到達供水水位下限時，打開補水閥，進行補水。水位下限：當?shù)竭_水位下限時關閉出水閥，打開補水閥，進行補水。熱泵熱水系統(tǒng)的結構設計按運行方式的不同有兩種形式：加熱柜加熱系統(tǒng)和循環(huán)加熱系統(tǒng)，分述如下：加熱柜加熱系統(tǒng)：收到補水指令，加熱柜先檢測水位，如果水位未達上限，進入進水階段，打開進水閥，打開循環(huán)泵同時開啟泵，讓冷水通過熱泵機組補入加熱柜中。當水位到達上限時，進入加熱階段，關閉進水閥，熱泵機組和加熱柜組成一個小循環(huán)加熱系統(tǒng)。當熱泵機組出水管溫度到達設定出水溫度，則進入出水階段。關閉內環(huán)伐，打開出水閥，加熱柜的熱水在循環(huán)泵的作用下流向主水箱。當加熱柜的水位到達下限時，進入進水階段，關閉出水閥，打開進水閥，周而復始，直到收到主控制器停止補水的命令。循環(huán)加熱系統(tǒng)：收到循環(huán)加熱指令，加熱柜進入補水階段，像補水加熱一樣，如果加熱柜水位未達上限，則進入進水階段，然后進過出水階段又回到進水階段。在進水階段，打開大環(huán)閥，內環(huán)閥，大水箱的水經(jīng)過大環(huán)閥進入加熱柜。經(jīng)過一定的延時后，加熱柜有了一定的水量，關閉內環(huán)伐，然后打開出水閥，熱泵與主水箱之間形成了一個大循環(huán)回路。為了避免加熱柜內的水杯抽干，在水位低于下限時，會打開內環(huán)，經(jīng)過一個延時后，又回到剛才的大循環(huán)狀態(tài)。2.4 控制器設計2.4.1熱泵熱水系統(tǒng)主控制器的主要功能熱泵熱水系統(tǒng)主控制器基本功能如下4：1定時控制功能，包括定時供水和定時補水及定時加熱等功能。2水位控制，包括水位的補水、加熱及供水的水位控制。3溫度控制功能，包括加熱及供水、回水的溫度控制。4加熱柜的過程控制。5擴展應用，可包括太陽能強制循環(huán)控制、多水箱獨立加熱控制、多水箱聯(lián)動加熱控制、電輔熱控制、多路供水及回多路回水控制及未來可能會遇到的一些應用拓展。6各種控制參數(shù)設置保存顯示，各種運行參數(shù)顯示，一些重要的歷史數(shù)據(jù)的保存。熱泵熱水系統(tǒng)工程主控制器由溫度、水位傳感器；單片機控制部分；顯示器件；執(zhí)行機構（電子繼電器、電磁閥等）；熱泵機組等部分組成。溫度、水位傳感器由敏感元件、轉換元件、測量電路、輔助電源等部分組成，用于實時檢測溫度、水位，并將其檢測值轉換成0+5V電信號。單片機控制部分主要作用是采集信號、進行數(shù)據(jù)處理、根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結果，發(fā)出操作命令、出現(xiàn)故障時，發(fā)出聲光告警并采取保護措施。顯示器件將單片機采集到的測量數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后，在顯示屏上顯示出來。電磁閥、繼電器等執(zhí)行機構接受單片機發(fā)來的命令執(zhí)行動作。2.4.2熱泵熱水系統(tǒng)工程控制器方案的選擇目前大部分溫度控制器還是采用PID控制算法，這種算法對固定參數(shù)的線性定常系統(tǒng)是非常有效的。通過調整PID控制器的參數(shù)，一般都能得到比較滿意的控制效果，但是對不同的溫度控制對象，沒有確定的數(shù)學模型，需要重新建立被控對象的數(shù)學模型，要重新整定PID參數(shù)，對于難以確定數(shù)學模型的被控對象則無法采用這種控制方法。模糊控制技術是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制。從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制。從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已成為目前最具實際意義的智能控制方法。模糊控制的核心在于它可以模仿人的思維方法，運用具有模糊性的語言條件語句作為控制規(guī)則去執(zhí)行控制過程?？刂埔?guī)則基于對被控過程十分熟悉的專家的經(jīng)驗。用模糊邏輯實現(xiàn)控制，不需要建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，只要求掌握現(xiàn)場操作人員或有關專家的經(jīng)驗、知識、操作數(shù)據(jù)，它所關心的是功能目標而不是系統(tǒng)的數(shù)學模型。因此，系統(tǒng)具有很強的魯棒性，對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感，適用于對不同對象的控制。模糊邏輯控制器的實現(xiàn)有兩種途徑，可以用專用的模糊硬件集成電路芯片構成模糊邏輯控制器；還可以在通用計算機或單片機上采用模糊邏輯控制算法用軟件來實現(xiàn)。后一種方法成本較低，故選用此方案。由Atmega16單片機電路和模糊邏輯控制軟件來實現(xiàn)對溫度的控制。2.5 小結本章主要對熱泵熱水系統(tǒng)進行分析，通過對比確定系統(tǒng)的方案，明確了設計的主要思想，并對主控制器的功能進行了詳細的介紹。第三章 模糊控制方法研究3.1 模糊控制簡介美國自動控制理論專家L.A.Zadeh于1965年首先提出模糊集合的概念，而后又引入模糊邏輯，以表示并利用模糊集合不確定的知識。Zadeh提出的模糊思想及向控制領域的滲透，在理論上和實踐上為控制理論開辟了新的發(fā)展方向，提供了新的系統(tǒng)設計方法。1974年，英國的Mamdani首次將模糊集和模糊語言邏輯用于控制6，創(chuàng)立了基于模糊語言描述控制規(guī)則的模糊控制器并成功地用于對蒸汽機的自動控制在這之后的20多年中，模糊控制技術得到了較快的發(fā)展，越來越受到控制領域中人們的重視。目前，國內外有許多專家、學者和工程技術人員，在對模糊控制理論研究的同時，已把模糊控制器用于生產過程控制中，并取得了可喜的成果。各種模糊家電產品充滿市場，如模糊洗衣機、模糊吸塵器、模糊攝像機等等。模糊控制技術是近代控制理論中的一種高級策略和新技術。模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為理論基礎的一種計算機數(shù)字控制。目前在工業(yè)控制過程中投入運行的模糊控制器，主要是以模糊命題形式表示的一組控制規(guī)則，經(jīng)模糊推理來決定控制量的形式。模糊控制系統(tǒng)以模糊推理為核心，它的整個系統(tǒng)推理程序模仿操作人員的經(jīng)驗、思考、知識以及決策等。而人在思維判斷中使用的知識大部分是一種經(jīng)驗性的。所以，從線性與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇56 78。與傳統(tǒng)PID控制相比較，模糊控制并不是在任何場合都一定有更好的控制效果，它有自己適合的控制領域。對于一些可以得到精確數(shù)學模型且結構參數(shù)時變有規(guī)律可循的被控對象，經(jīng)典控制還是要比模糊控制效果好，尤其在穩(wěn)態(tài)精度上更是一般的模糊控制器不能夠達到的。只有在被控對象具有強非線性、控制過程中干擾因素很多或得不到被控對象模型的前提下，模糊控制會比經(jīng)典控制有效。模糊控制與傳統(tǒng)的控制相比，具有以下特點：1適用于不易獲得精確數(shù)學模型的被控對象，其結構參數(shù)不很清楚或難以求得，只要求掌握操作人員或領域專家的經(jīng)驗或知識；2模糊控制器是一種語言變量控制器，其控制規(guī)則只用語言變量的形式定性地表達，構成了被控對象的模糊模型；3系統(tǒng)魯棒性強，尤其適用于非線性、時變、滯后系統(tǒng)的控制。模糊控制是建立在模糊控制推理基礎上的一種非線性控制策略。模糊控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)有很大的區(qū)別。對于一個系統(tǒng)而言，模糊控制在控制系統(tǒng)中所表現(xiàn)的具體形式是模糊控制器。從系統(tǒng)結構角度而言，是以模糊控制器取代傳統(tǒng)的數(shù)字控制器。模糊控制系統(tǒng)由模糊控制器、被控對象、檢測和反饋等部件組成。模糊控制器在模糊控制中起關鍵性作用，模糊控制屬于計算機數(shù)字控制的一種形式，模糊控制系統(tǒng)的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，其控制原理框圖如圖3-1所示：圖3-1 一般模糊控制器示意圖Fig 3-1 Fuzzy Controller chart一般模糊控制器各主要環(huán)節(jié)的功能如下：（1）模糊化環(huán)節(jié)的功能。這部分的功能是將輸入的精確量轉換為模糊量（其中輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)等），并將輸入量進行處理，使其變成模糊控制器要求的輸入量，接著進行尺度變換，使其變換到各次的論域范圍，并進行模糊化處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，用相應的模糊集合表示。（注意：有時把模糊化部分作為模糊控制器的外部部分）。（2）知識庫環(huán)節(jié)的功能。知識庫中包含了具體應用領域中的知識和要求的控制目標，通常由數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫兩部分組成。這其中，數(shù)據(jù)庫主要包括語言變量的隸屬函數(shù)、尺度變換因子以及模糊空間的分級數(shù)等；規(guī)則庫包括了用模糊語言變量表示的一系列控制規(guī)則，它們反映了控制專家的經(jīng)驗和知識等。（3）模糊推理環(huán)節(jié)的功能。它是模糊控制器重要組成部分，具有模擬人的基于模糊概念的推理能力，其推理是基于模糊邏輯中的蘊含關系及推理規(guī)則來進行的。（4）清晰化環(huán)節(jié)的功能。清晰化環(huán)節(jié)的主要功能是將模糊推理所得的控制量（模糊量）變換為實際用于控制的清晰量，包含兩部分內容：其一，將模糊的控制量經(jīng)清晰化處理變換為表示在論域范圍的清晰量；其二，將表示在論域范圍的清晰量經(jīng)尺度變換轉換成實際的控制量。模糊控制技術是近代控制理論中的一種高級策略和新穎技術。模糊控制技術基于模糊數(shù)學理論，通過模擬人的近似推理和綜合決策過程，使控制算法的可控性、適應性和合理性提高，成為智能控制技術的一個重要分支。傳統(tǒng)的PID控制器控制系統(tǒng)時，其PID參數(shù)經(jīng)過整定后即以同樣的姿態(tài)處理系統(tǒng)的變化，往往導致系統(tǒng)響應速度慢，超調嚴重，過渡時間長等缺點，必須離線或在線整定PID調節(jié)器的參數(shù)，使之具有合適的數(shù)值，滿足控制的要求。與PID控制算法相比,經(jīng)典的模糊控制器不依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學模型、對被控對象的非線性和時變性具有一定的適應能力，有很好的魯棒性，模糊控制中的知識表示、模糊規(guī)則和合成推理是基于專家知識或熟練操作者的成熟經(jīng)驗，并通過學習可不斷更新，具有智能性和自學習性91 0。3.2 精確量模糊化、模糊推理及反模糊化計算機直接參與的自動控制系統(tǒng)，當控制對象缺乏精確數(shù)學模型或僅能提供一些模糊信息時，傳統(tǒng)的控制方式難以奏效。而人卻對模糊信息具有很好的處理能力，模糊控制正是通過模仿人的思維方法，以人的經(jīng)驗為依據(jù)，用隸屬函數(shù)描述差異間的過渡，使模糊概念能夠定量表示。要使計算機能夠接受并處理模糊信息，必須深入研究語言變量、模糊邏輯以及模糊推理方面的基本知識。3.2.1語言變量及精確量的模糊化模糊控制器的語言變量L是指將輸入變量和輸出變量用自然語言的形式表達。一般說來，人們習慣于把事物分為大、中、小三個等級，所以，大都選用“大、中、小”三個詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)?？紤]到正、負兩個方向判斷的對稱性，將大、中、小再加上正、負兩個方向并考慮變量的零狀態(tài)，共有七個詞匯，即負大、負中、負小、零、正小、正中、正大一般用英文字頭縮寫為：NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB選擇較多的詞匯描述輸入、輸出變量，可以使制定控制規(guī)則方便，但控制規(guī)則就會變得復雜。選擇詞匯過少，使得描述變量變得粗糙，導致控制器性能變壞。在應用時，可根據(jù)實際需要選擇。語言變量論域上的模糊子集由隸屬函數(shù)來描述，隸屬函數(shù)可通過總結操作者的實踐經(jīng)驗或采用模糊統(tǒng)計法、例證法、專家經(jīng)驗法、正態(tài)函數(shù)法等來確定。把精確量轉換成用模糊集合的隸屬函數(shù)來表示的某一模糊變量的語言值，即找出該精確量隸屬于某個模糊子集的隸屬度，這一過程稱為精確量的模糊化。精確量模糊化一般定義七個模糊子集，其變化范圍為66，如果精確量的變化范圍不在6,6之間，而在a,b之間時，可利用（32）、(33)式將其轉化成6,6之間的變量。下面給出一種對稱三角形分布的隸屬函數(shù)如圖3-2所示。 (32) (33)式（32）（33）中a,b分別為輸入量取值的左、右邊界值。圖3-2 三角形分布的隸屬函數(shù)Fig 3-2 triangular distribution membership function3.2.2模糊邏輯通常將研究模糊命題的邏輯稱為連續(xù)邏輯，也稱為模糊邏輯，它是二值邏輯的推廣，是對經(jīng)典的二值邏輯的模糊化1112模糊邏輯是建立在模糊集合的二值邏輯概念基礎上的，可以把它視為一類特殊的多值邏輯。一個公式的真值，在二值邏輯中只能取兩個（0和1），而在模糊邏輯中可取0，1區(qū)間中的任何值，其數(shù)值表示這個模糊命題真的程度。3.2.3模糊推理推理是根據(jù)一定的原則，從一個或幾個已知判斷引伸出一個新判斷的思維過程。模糊推理又稱模糊邏輯推理，是指已知模糊命題，推出新的模糊的命題作為結論的過程，可見，模糊推理是一種近似推理。在復雜的語言系統(tǒng)中，選擇一個合適的論域是困難的，在同一個論域U上，用集合描述語言的推理，同樣也會遇到困難。因此，在應用模糊集合論對模糊命題進行模糊推理時，應用模糊關系表示模糊條件語句，這樣將推理的判斷過程轉化為對隸屬度的合成及演算過程。3.2.4 反模糊化在模糊控制中，對建立的模糊控制規(guī)則要經(jīng)過模糊推理才能決策出控制變量的一個模糊子集，而它是一個模糊量不能直接控制被控對象，需采取合理的方法將模糊量轉化為精確量，才能將模糊推理結果付于實施。把模糊量轉化為精確量的過程稱為反模糊化或模糊判決1314。模糊量的反模糊化過程有多種方法：重心法最大隸屬度法取中位法。3.3 加熱控制加熱系統(tǒng)由大水箱，小水箱，熱泵機組和微處理器即ATmega16組成。溫度傳感器和霍爾傳感器得到大水箱的水溫和液位的信號，并送入A/D轉換,傳送至Atmega16。Atmega16即根據(jù)信號控制加熱系統(tǒng)的工作狀態(tài)。加熱系統(tǒng)的工作狀態(tài)可以分為3種情況討論：當大水箱的液位低于溫度都沒有達到輸出的要求時，則熱泵機組加熱小水箱中的水，小水箱直接將水送入大水箱。當大水箱的液位達到輸出要求但溫度不夠時，小水箱停止送水。熱泵機組和大水箱組成循環(huán)供熱系統(tǒng)，加熱大水箱中的水，直至水溫達到輸出要求。當大水箱的溫度達到輸出要求但液位不夠時，熱泵機組停止循環(huán)加熱，切換到加熱小水箱的工作狀態(tài)，小水箱向大水箱送水。由此可知熱泵機組工作在2個狀態(tài)即加熱小水箱和循環(huán)加熱大水箱。ATmega16通過處理大水箱溫度和液位的信號，控制熱泵機組的工作狀態(tài)，熱泵機組的控制由加熱控制器來實現(xiàn)。3.3.1 熱水系統(tǒng)模糊控制器的輸入變量和輸出變量確定熱泵熱水系統(tǒng)工程中，水溫控制是關鍵，需綜合考慮實時檢測到的出水口溫度值及其隨時間的變化率；主水箱水量等參數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗，選擇實時檢測到的出水口溫度與設定溫度的差值及該差值隨時間的變化率2個參數(shù)為模糊控制器的輸入變量，通過調整熱泵的投切（模糊控制器的輸出），從而調節(jié)加熱效率，實現(xiàn)升溫或降溫，構成一個雙輸入單輸出模糊控制器，實現(xiàn)溫度控制1516。模糊控制的基本原理框圖(圖3-3)。為溫度給定值，為實測溫度值。圖3-3 溫度模糊控制原理圖Fig3-3 temperature Fuzzy Controller chart模糊控制器的一個輸入量為測得溫度與設定溫度的偏差E其中：為設定的水溫;為當前測得的水溫。將分為三個模糊子集B（大）、S（?。?、N（負），對應溫度的偏差為：TM1、TM2TM1、0TM2、TM20）。模糊控制器的另一輸入量為溫度偏差的變化量，其中：為前次測得的溫度；為本次測得的溫度。分為三個模糊子集P（正）、Z（零）、N（負），對應的偏差變化量為： A0，-A0A0，0）主控制器輸出控制為U，輸出為加熱量U，對應于熱泵的四種狀態(tài)的組合：熱泵機組1和熱泵機組2都加熱，熱泵機組1加熱，熱泵機組2加熱、熱泵機組1和熱泵機組2都不加熱（其中熱泵機組1的功率大于熱泵機組2的功率）。3.3.2 精確量基本論域及模糊集合論域的確定溫度檢測電路（溫度傳感器）檢測出來的實時溫度值與設定溫度值比較產生溫度偏差以及溫度偏差的變化率兩值為精確量，需將其轉化為模糊集合才能送到模糊控制器中去。溫度偏差e（精確量）的基本論域范圍為5.0V+5.0V，由式（32）將其換為模糊集合論域在6，+6之間變化的模糊輸入變量E；變化率（精確量）的基本論域范圍為2.5V+2.5V，由式（33）將其化為模糊集合論域在-6，+6之間變化的模糊輸入變量5,6,7。模糊輸出量U論域為6，+6。3.3.3模糊控制算法的設計模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，它是將專家的經(jīng)驗加以總結，從而得到一條條模糊條件語句集合。模糊控制器的控制規(guī)律由單片機的程序實現(xiàn)，實現(xiàn)模糊控制算法的一般過程是：首先單片機經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信e，將其作為一個模糊控制器的輸入，再將變化率作為另一個模糊控制器的輸入。把誤差信號e和變化精確量進行模糊化變成模糊量，再用相應的模糊語言表達，得到誤差e及水位模糊語言集合E、，再由E、和模糊控制規(guī)則R根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量U。基于熱水系統(tǒng)工程操作經(jīng)驗，現(xiàn)總結出一組模糊條件語句1718。其中E表示溫度偏差的模糊集合，表示溫度偏差率的模糊集合，U表示輸出信號的模糊集合。模糊控制規(guī)則可歸納如下：表3-1 模糊控制規(guī)則表Tab 3-1 Fuzzy Control Rules PZNBBBBMMMSSSSZNZZZ由單片機對溫度進行測量，將本次測得的溫度與設定的溫度值相減得到溫度的偏差E，并存儲到存儲單元TMS；將本次測得的溫度減前次測量的溫度，得到溫度的偏差變化量并存入存儲單元TMCB；根據(jù)溫度的偏差及偏差的變化量由模糊控制表決定電熱絲的斷閉。如果將的四個模糊子集N、S、M、B分別用數(shù)字-1、1、3、6表示，的四個模糊子集N、Z、P分別用數(shù)字-1、0、1表示，則根據(jù)3-1的模糊控制規(guī)則表，可得到如表3-2所示的。表3-2 模糊控制表Tab 3-2 Fuzzy Control Rules 10-1676534321210-10-1-2將表3-2與表3-1對照可以看出：當時，加熱量為Z；當時，加熱量為S；當時，加熱量為M；時，加熱量為B。故可編制所求的模糊控制程序。3.3.4加熱控制器控制加熱控制器收到主控制器指令后，根據(jù)加熱柜內的溫度和水位等作出相應的動作。加熱控制器有停機，加熱，進水，出水，四種狀態(tài)。收到主控制器停機命令，加熱柜進入停機狀態(tài)，關閉循環(huán)泵，停掉熱泵，關閉所有閥門。收到補水指令，加熱柜先檢測水位，如果水位未達上限，進入進水階段，打開進水閥，打開循環(huán)泵同時開啟泵，讓冷水通過熱泵機組補入加熱柜中。當水位到達上限時，進入加熱階段，關閉進水閥，熱泵機組和加熱柜組成一個小循環(huán)加熱系統(tǒng)。當熱泵機組出水管溫度到達設定出水溫度，則進入出水階段。關閉內環(huán)閥，打開出水閥，加熱柜的熱水在循環(huán)泵的作用下流向主水箱。當加熱柜的水位到達下限時，進入進水階段，關閉出水閥，打開進水閥，周而復始。直到收到主控制器停止補水的命令。收到循環(huán)加熱指令，加熱柜進入補水階段，像補水加熱一樣，如果加熱柜水位未達上限，則進入進水階段，然后進過出水階段又回到進水階段。在進水階段，打開大環(huán)閥，內環(huán)閥，大水箱的水經(jīng)過大環(huán)閥進入加熱柜。經(jīng)過一定的延時后，加熱柜有了一定的水量，關閉內環(huán)閥，然后打開出水閥，熱泵與主水箱之間形成了一個大循環(huán)回路。為了避免加熱柜內的水杯抽干，在水位低于下限時，會打開內環(huán)，經(jīng)過一個延時后，又回到剛才的大循環(huán)狀態(tài)。收到停止補水指令后，如果沒有收到循環(huán)加熱指令或收到了停機指令，加熱柜進入停機狀態(tài)，關閉熱泵，并關閉所有閥門。3.4延時參數(shù)設置在選用合適的循環(huán)泵并由加熱柜控制循環(huán)泵時，完全可以在3分鐘內完成加熱柜向大水箱補水，或者是從自來水中補水灌滿加熱柜。因此，應該設置補水延時時間和出水延時間為小于255的數(shù)。比如設置為240s,當加熱柜從自來水中補水達補滿加熱柜的時間超過240s時，加熱柜就會自動保護。如果加熱柜的補到大水箱的時間超過了240s，也可以認為是出現(xiàn)了故障。這樣可以檢測管路的故障，保障熱泵機組的安全運行。前面說過，大循環(huán)時，要先向加熱柜注入一定的水量。這樣就要設置循環(huán)延時參數(shù)，該參數(shù)的意義是必須向加熱柜補水（從大水箱）一定的時間，才真正的進入大循環(huán)狀態(tài)，設置該參數(shù)的意義是減少球閥的切換動作階段，盡量避免加熱柜從進水階段過渡到加熱階段，這樣才能保持高效。第四章 系統(tǒng)硬件及軟件設計4.1 系統(tǒng)硬件設計及總體控制系統(tǒng)在硬件設計中采用ATMEL公司的Atmega16微處理器為中控芯片，配合多功能數(shù)據(jù)采集芯片，也將大幅提高裝置的抗干擾性能，并降低功耗和成本。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖4-1所示。主要由兩片ATmega16、輸入電路組成和輸出電路組成19。圖4-1 系統(tǒng)硬件組成框圖Fig4-1 System hardware block diagram4.1.1 雙CPU電路系統(tǒng)的設計和分析采用雙CPU交互控制，利用冗余原理提高保護裝置的可靠性。兩個CPU同時工作，互相監(jiān)督，將采集到的數(shù)據(jù)相互比較，如果結果相近，則直接采用該結果；如果結果相差過大，則通過分析，拋棄誤差較大的結果。通過該種相互配合、相互監(jiān)督的雙CPU控制模式，可以大幅度提高系統(tǒng)的可靠性、減小由器件問題帶來的誤差、增強抗干擾性。另外，在硬件設計中采用ATMEL公司出品的ATmega16L微處理器為中控芯片，配合多功能數(shù)據(jù)采集芯片，也將大幅提高裝置的抗干擾性能，并降低功耗和成本雙CPU電路系統(tǒng)是一種冗余結構，包含2個CPU，其中1個CPU是主CPU，一般處于工作狀態(tài)，另1個是備用CPU。當主CPU正常工作時，備用CPU的端口將自動封鎖起來；當主CPU將控制權交給備用CPU或主CPU出現(xiàn)故障時，備用CPU將啟動，同時將主CPU的端口封鎖。雙CPU電路的原理圖如圖4-2所示 ：圖4-2 雙CPU冗余電路原理圖Fig4-2 Dual-CPU redundancy circuit雙CPU控制的工作原理如下：將CPU1和CPU2的定時/計數(shù)器T0設置為快速PWM工作模式，定時/計數(shù)器T1設置為計數(shù)模式。當主CPU1正常工作時，CPU1利用T0產生周期小于1ms的時鐘脈沖，發(fā)送到CPU2的T1管腳。同時，備用CPU2利用T0產生周期小于1ms的時鐘脈沖，發(fā)送到CPU1的T1管腳。通過賦值語句TH1=0XFF，TL1=0XFF使T1每檢測到管腳上的1個脈沖就產生1個計數(shù)中斷，在計數(shù)中斷服務程序中，用變量N存放一共檢測到的脈沖個數(shù)既N=N+1或N+。T0工作在PWM模式，用來產生周期小于1ms的脈沖信號。當T0產生匹配中斷時，在中斷服務程序中，用變量M存放發(fā)送的脈沖個數(shù)即M=M+1。當主CPU1的T1連續(xù)檢測到來自備用CPU2的脈沖，并且脈沖個數(shù)大于3即N3,主 CPU1認為備用CPU2處于正常工作狀態(tài)，此時可封鎖主CPU1的端口，使備用CPU2控制輸出。當備用CPU2的T1連續(xù)檢測到來自主CPU1的脈沖，并且脈沖個數(shù)大于3即N3, 備用CPU2認為主CPU1處于正常工作狀態(tài)，此時可封鎖備用CPU2的端口，使主CPU1控制輸出。其端口控制的邏輯關系式為 （4-1）其中n14，可將以上布爾代數(shù)寫入GAL16V8下面對雙CPU電路系統(tǒng)的3種工作狀態(tài)進行分析：1、CPU(1)為主CPU2、CPU(0)為輔助CPU3、CPU(F)為CPU的失控狀態(tài)4、為CPU1的輸出，為CPU2的輸出分析三種工作狀態(tài)：一般情況下為CPU1(1) CPU2(0)，此時,輸出。如果CPU1(F)，CPU2(0)變成CPU2(1)，同時，此時輸出。如果CPU1(0)，CPU2(0),同時,輸出。由以上分析可知無論在什么情況下,系統(tǒng)都能正常工作。CPU2不斷檢測CPU1是否有中斷發(fā)生，以此判斷CPU1是否正常工作，如果檢測出CPU1出現(xiàn)故障,則CPU2(0)變成CPU2(1)，同時。4.1.2 溫度測量部分4.1.2.1 溫度傳感器AD590簡介20溫度測量部分采用AD公司的溫度傳感器AD590。AD590是AD公司利用PN結正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。它不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲等的干擾。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。即使電源在515V之間變化，其電流只是在lA以下作微小變化，同時也適用于本文所要求的模塊化、分體式結構的特點2 0。AD590的主特性參數(shù)如下：工作電壓：430V工作溫度：-55+150C 保存溫度：-65+175C 正向電壓：+44V反向電壓：-20V焊接溫度(10秒)：300 靈敏度：lA/K4.1.2.2 AD590工作原理及其測溫電路AD590產生的電流與絕對溫度成正比，它有非常好的線性輸出性能，溫度每增加1，其電流增加1A。AD590溫度與電流的關系如下表所示：表4-1 AD590溫度與電流的關系Tab4-1 The relationship between temperature and current of AD590攝氏溫度AD590電流經(jīng)10k電壓0273.2 A2.732 V10283.2 A2.832 V20293.2 A2.932 V30303.2 A3.032 V40313.2 A3.132 V50323.2 A3.232 V60333.2 A3.332 V100373.2 A3.732 VAD590工作原理為：以AD590為一橋臂的測溫電橋采取到的溫度信號，經(jīng)差動放大并進行緩沖隔離后一路送至數(shù)顯表進行數(shù)字化溫度顯示，另一路與設定值相比較，比較出來的差值由開關K控制可選擇送入兩路調節(jié)控制器。其中一路由比較放大器和繼電器組成，以此為調節(jié)控制器可使該裝置形成一個無需與計算機相連的獨立的測控溫設備；另一路由開關量構成，控制固態(tài)繼電器（控溫執(zhí)行元件），即從調節(jié)控制器出來的信號通過控溫執(zhí)行元件實現(xiàn)溫度控制。用半導體溫度傳感器AD590(IC4)配上相關電路，可構成0100C溫度檢測器。此時傳感器AD590的輸出電流與絕對溫度成正比，在溫度-55150C時，其電流靈敏度為1A/絕對溫度1度。例如傳感器測室內溫度為25C時，其輸出電流為298A(絕對溫度=273+25=298K，因1K對應的電流輸出為lA，則298K時傳感器輸出為298A)。該0100C溫度監(jiān)測器電路原理如圖4-3所示圖4-3 溫度監(jiān)測器電路原理圖Fig4-3 Temperature monitoring circuitIC1與IC3是電壓跟隨器，起緩沖作用，防止負載對信源的影響，如傳感器輸出電流為298A，適當調整傳感器的電位器VR1，使IC1第腳輸入電壓為298mV，則IC1第腳輸出也為298mV，適當調整VR2可使IC3的第腳輸入為273mV，因而IC3的第腳輸出也為273mV。IC2及其外圍電路組成減法器，其第腳輸出電壓為ICl輸出電壓與IC3輸出電壓之差，即，將Vt電壓信號送入顯示電路，就會在液晶顯示屏或萬用表上顯示攝氏溫度的數(shù)值(本例中輸出25mV，在顯示電路上將顯示25C)。本電路的校準步驟如下：首先將傳感器放入冰中(0C)，并調整VR2，使電路輸出為0mV(用萬用表測試)。然后將傳感器浸入沸水(100C)中，調整VR2使萬用表讀數(shù)為100mV，校準即可結束。只要有溫度變化，傳感器輸出電壓就發(fā)生改變，IC2就立刻得到兩個電壓的差值，溫度就會連續(xù)不斷的顯示出來。 最后溫度測控裝置的調節(jié)控制器中的一路采用調功方式來確定控制量的大小。溫度測控裝置主要采用的是輸出反饋型控制，從這一原理出發(fā)就可以實現(xiàn)水箱的設定值和實際值之差為最小。4.1.3 流量測量部分4.1.3.1 CWV-H0510型水流量傳感器的特性水流量傳感器采用湛江中信電磁閥有限公司口徑為3cm的CWV-H0510型水流量傳感器，它價格較低，體積小、重量較輕便于攜帶，而實際生活應用中可以根據(jù)自己的需要，定制口徑和接線端連接方式和線路長短。CWV-H0510主要參數(shù)特性： a.額定工作電壓：DC 5V b.額定電壓范圍：DC 518V c.使用溫度范圍：-20+80C (無結冰狀態(tài)) d.使用溫度范圍：35%90%RH(無結霜狀態(tài))e.允許耐壓： 1.2MPa以下流量脈沖特性： 脈沖頻率(垂直方向安裝)4.1.3.2 水流量傳感器工作原理半導體薄片置于磁感應強度為B 的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I 流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。1.磁感應強度B為零時的情況 圖4-4 磁感應強度B為零時的情況Fig4-4 Magnetic induction B is zero2.磁感應強度B較大時的情況：作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高。霍爾電勢可用下式表示： （4-2） 圖4-5 磁感應強度B較大時的情況Fig4-5 Magnetic induction B is big水流量傳感器是利用霍爾元件的霍爾效應來測量磁性物理量。在霍爾元件的正極串入負載電阻，同時通上5 V的直流電壓并使電流方向與磁場方向正交。當水通過渦輪開關殼推動磁性轉子轉動時，產生不同磁極的旋轉磁場，切割磁感應線，產生高低脈沖電平。由于霍爾元件的輸出脈沖信號頻率與磁性轉子的轉速成正比，轉子的轉速又與水流量成正比，根據(jù)水流量的大小啟動熱泵系統(tǒng)。其脈沖信號頻率的經(jīng)驗公式為： （4-3）則水流量為： （4-4）式中： -脈沖信號頻率（）- 水流量（）流量輸出的信號為鋸齒波，經(jīng)過如圖4-6轉換電路后轉化為方波可以被CPU直接讀取，同時開始計數(shù)。如圖所示，在下降沿脈沖觸發(fā)開始計數(shù)至下一個下降沿脈沖觸發(fā)為一個周期，則頻率可由下式計算，這個頻率可以直接被CPU讀取。 圖4-6 轉換電路和方波周期Fig4-6 conversion circuit and square wave cycle （4-5） （4-6）由水流量傳感器的反饋信號通過控制器判斷水流量的值。根據(jù)熱泵系統(tǒng)機型的不同，選擇最佳的啟動流量，可實現(xiàn)超低壓(0 .02 MPa以下)啟動。在這里采用的是16位的事件捕獲定時器(CAP)，它可監(jiān)控多達6路芯片輸入的上升、下降或2種邊沿。硬件監(jiān)控定義的邊沿并將捕獲的定時器值送入6個寄存器之一。1、 頻率的測算 電網(wǎng)信號經(jīng)過波形轉化變成方波進入到單片機的中斷I/O口，由定時器在每次信號的上升沿時計數(shù)，在下一個上升沿來時，記錄下定時器的值，然后算出兩者的差值，再將定時器清零，繼續(xù)下一個周期的頻率測算。其中每一個上升沿來時所獲取的定時器的值就是此信號的周期，由此可以計算出頻率f=f/T。 圖4-7 檢測周期示意圖Fig4-8 detection period由于干擾的存在，獲得方波邊沿有抖動，有可能獲取