基于自适应模糊PID的水温控制方法及其控制系统

摘要

本发明提供了一种基于自适应模糊PID的水温控制方法及其控制系统，采用模糊控制与PID算法中的PI算法相结合构成的模糊PID控制器对水温进行实时监测和调整，即通过微处理器实时采集冷水温度、热水温度及混合后温水的出水温度，将混合后温水的出水温度与预设温度进行对比，利用模糊PID算法控制冷水和热水的流速，从而使其混合后温水的出水温度恒定。该发明调温反应快速且精确度高。

说明书

技术领域

本发明涉及水温控制领域，具体涉及一种基于自适应模糊PID的水温控制 方法及其控制系统。

背景技术

传统浴室的水温调节一般是安装一个冷、热水调节装置，目前常见的有手 动调控和自动调控两种，手动调控是通过控制冷、热水的水阀阀门的开度来调 整混合后水的温度，这种控制方式浪费水资源，且水温波动很大。自动调控普 遍采用温度传感器作为测量装置，且对测量量的偏差信号采用PID控制来实现 水温控制。目前的控制器所采用的控制策略是在已知被控对象精确数学模型的 基础上实现的。这种方法在系统稳定之后有较好的控制性能，但在无法获取被 控对象准确数学描述时具有很强的局限性，因而存在一定的不适应性，也因此 影响了水温控制的精度及其可行性。

发明内容

本申请通过提供一种基于自适应模糊PID的水温控制方法及其控制系统， 采用模糊控制与PID算法中的PI算法相结合构成的模糊PID控制器对水温进 行实时监测和调整，以解决目前手动调节或者自动调节热水器水温，不仅会造 成水资源的浪费，且控制精度不高，使得实际水温与预期水温值误差较大的技 术问题。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种基于自适应模糊PID的水温控制方法，采用模糊控制与PID算法中的 PI算法相结合构成的模糊PID控制器对水温进行实时监测和调整，具体包括如 下步骤：

S1：获取预设水温T₀，获取第一温度传感器检测的冷水温度T₁，获取第二 温度传感器检测的热水温度T₂，获取第三温度传感器检测的混合后温水的出水 温度T₃；

S2：计算误差E＝T₃-T₀，误差变化率E_c＝dE/dt；

S3：由模糊PID控制器的模糊算法整定PID参数中的比例参数K_p和积分 参数K_i；

S4：计算K_p′＝K_p*(T₂-T₁)，K_i′＝K_i*(T₂-T₁)；

S5：将K_p′作为新的比例参数，K_i′作为新的积分参数，计算出比例输出 U_p＝K_p′*E，积分输出U_i＝U_i+K_i′*(E-E_p)，式中，E_p为前一次的误差；

S6：计算输出OUT＝U_p+U_i；

S7：判断OUT是否小于0，如果是，则表示需要升温，进入步骤S8，否 则，则表示不需要升温，进入步骤S9：

S8：设定冷水流速V₁＝0.3，热水流速V₂＝0.3+|OUT|；

S9：设定热水流速V₂＝0.7，冷水流速V₁＝0.7-|OUT|；

S10：根据冷水流速V₁和热水流速V₂调整第一电磁阀的PWM占空比和第二 电磁阀的PWM占空比，来调整冷水和热水的流速，从而将水温调整到预设水温 T₀。

进一步地，步骤S3中模糊PID控制器的输入变量为误差E和误差变化率 E_c，输出变量为比例参数K_p和积分参数K_i，输入变量和输出变量均采用高斯 型隶属度函数，模糊论域为[-6,6]，采用重心法进行解模糊化运算。

一种基于自适应模糊PID的水温控制方法的控制系统，包括微处理器、设 置在冷水箱出水管的第一温度传感器、第一电磁阀和第一水流传感器、设置在 热水箱出水管的第二温度传感器、第二电磁阀和第二水流传感器，设置在混合 水箱中的第三温度传感器，其中，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温 度传感器、第一流速传感器以及第二流速传感器连接所述微处理器的输入端， 所述微处理器的输出端连接第一电磁阀驱动电路来调整第一电磁阀的PWM占空 比，所述微处理器的输出端连接第二电磁阀驱动电路来调整第二电磁阀的PWM 占空比，从而实现对冷水和热水流速的控制；

所述微处理器采用STC12C5A60S2芯片，所述第一温度传感器和第二温度 传感器均采用DS18B20数字温度传感器，所述第三温度传感器采用PT100铂电 阻，该控制系统有24V和5V两种电压源。

进一步地，该第一电磁阀驱动电路包括PMOS管和光耦芯片P521，其中， PMOS管的栅极一方面通过电阻R44连接光耦芯片P521的4引脚，另一方面通 过电阻R42连接PMOS管的源极，PMOS管的漏极通过电容C13接地，光耦芯片 P521的3引脚接地，1引脚通过电阻R43连接5V电源，2引脚连接STC12C5A60S2 芯片的CP2引脚，24V电源一方面连接PMOS管的源极，另一方面通过并联的电 容C12和C14接地，第二电磁阀驱动电路与第一电磁阀驱动电路的电路结构相 同。

进一步地，PT100温度采集电路包括双运算放大器LM358和稳压源TL431， 其中，PT100的1引脚一方面通过串联的电阻R4和R1接5V电源，另一方面通 过电阻R11接双运算放大器LM358的3引脚，PT100的2引脚接地，双运算放 大器LM358的4引脚接地，电阻R9的一端连接可调电阻R18的一端，可调电 阻R18的另一端接地，电阻R9的另一端一方面连接双运算放大器LM358的2 引脚，另一方面通过电阻R5连接双运算放大器LM358的1引脚，电阻R16的 一端接地，另一端连接双运算放大器LM358的3引脚，双运算放大器LM358的 5引脚连接电阻R14的一端，电阻R14的另一端一方面连接STC12C5A60S2芯片 的AMI引脚，另一方面通过电阻R19接地，双运算放大器LM358的6引脚通过 串联电阻R12和R7连接双运算放大器LM358的7引脚，双运算放大器LM358 的8引脚接5V电源，稳压源TL431的阴极和参考极通过电阻R1连接5V电源， 稳压源TL431的阳极接地。

进一步地，所述微处理器的输入端还连接有设置按钮，所述微处理器的输 出端还连接有显示屏。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：基 于自适应模糊PID的水温控制方法及其控制系统，调温反应快速且精确度高。

附图说明

图1为水温控制方法流程图；

图2为模糊PID控制器的结构模型；

图3为模糊控制输入输出关系图；

图4为水温控制系统结构框图；

图5为电磁阀驱动电路图；

图6为DS18B20温度采集电路图；

图7为PT100温度采集电路图；

图8为仿真结果对比图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种基于自适应模糊PID的水温控制方法及其控制 系统，采用模糊控制与PID算法中的PI算法相结合构成的模糊PID控制器对 水温进行实时监测和调整，以解决目前手动调节或者自动调节热水器水温，不 仅会造成水资源的浪费，且控制精度不高，使得实际水温与预期水温值误差较 大的技术问题。为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具 体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种基于自适应模糊PID的水温控制方法，采用模糊控制与PID算法中的 PI算法相结合构成的模糊PID控制器对水温进行实时监测和调整。PID算法是 一种应用非常广泛的控制方法，对于一个线性系统，PID参数可以通过指定闭 环极点的方法获得。在本发明中，由于使用的是机械式电磁阀，难以保证电磁 阀开关的精确度，那么PID的微分环节会受到精确度低的影响而干扰系统的稳 定性，因而本发明的水温控制方法舍弃微分环节，使用PI算法控制水温。

如图1所示，具体包括如下步骤：

S1：获取预设水温T₀，获取第一温度传感器检测的冷水温度T₁，获取第二 温度传感器检测的热水温度T₂，获取第三温度传感器检测的混合后温水的出水 温度T₃；

S2：计算误差E＝T₃-T₀，误差变化率E_c＝dE/dt；

S3：由模糊PID控制器的模糊算法整定PID参数中的比例参数K_p和积分 参数K_i；

S4：计算K_p′＝K_p*(T₂-T₁)，K_i′＝K_i*(T₂-T₁)；

S5：将K_p′作为新的比例参数，K_i′作为新的积分参数，计算出比例输出 U_p＝K_p′*E，积分输出U_i＝U_i+K_i′*(E-E_p)，式中，E_p为前一次的误差；

S6：计算输出OUT＝U_p+U_i；

S7：判断OUT是否小于0，如果是，则表示需要升温，进入步骤S8，否 则，则表示不需要升温，进入步骤S9：

S8：设定冷水流速V₁＝0.3，热水流速V₂＝0.3+|OUT|；

S9：设定热水流速V₂＝0.7，冷水流速V₁＝0.7-|OUT|；

S10：根据冷水流速V₁和热水流速V₂调整第一电磁阀的PWM占空比和第二 电磁阀的PWM占空比，来调整冷水和热水的流速，从而将水温调整到预设水温 T₀。

模糊PID控制器的结构模型如图2所示，模糊控制的输入变量为误差E和 误差变化率E_c，输出变量为比例参数K_p和积分参数K_i，如图3所示。各变量 的模糊子集都是NB负方向大的偏差，NM负方向中的偏差,NS负方向小的偏 差,ZO近于0的偏差,PS正方向小的偏差,PM正方向中的偏差,PB正方向大的偏 差，模糊论域为[-6,6],输入输出变量均采用高斯型隶属度函数，采用重心法 进行解模糊化运算，模糊控制规则如表1所示。

表1模糊控制规则

一种基于自适应模糊PID的水温控制方法的控制系统，如图4所示，包括 微处理器、设置在冷水箱出水管的第一温度传感器、第一电磁阀和第一水流传 感器、设置在热水箱出水管的第二温度传感器、第二电磁阀和第二水流传感器， 设置在混合水箱中的第三温度传感器，其中，第一温度传感器、第二温度传感 器、第三温度传感器、第一流速传感器以及第二流速传感器连接所述微处理器 的输入端，所述微处理器的输出端连接第一电磁阀驱动电路来调整第一电磁阀 的PWM占空比，所述微处理器的输出端连接第二电磁阀驱动电路来调整第二电 磁阀的PWM占空比，从而实现对冷水和热水流速的控制；所述微处理器采用 STC12C5A60S2芯片，所述第一温度传感器和第二温度传感器均采用DS18B20 数字温度传感器，所述第三温度传感器采用PT100铂电阻，该控制系统有24V 和5V两种电压源。

该系统选用24V常闭型电磁阀用于对水流进行开关控制，主控芯片通过调 制电磁阀的PWM占空比来实现对水流速度的控制。考虑到电磁阀工作时会产生 较大的电磁干扰，因此在电路上进行了隔离处理，本实施例采用光耦芯片P521 对电磁阀进行隔离。

如图5所示，该第一电磁阀驱动电路包括PMOS管和光耦芯片P521，其中， PMOS管的栅极一方面通过电阻R44连接光耦芯片P521的4引脚，另一方面通 过电阻R42连接PMOS管的源极，PMOS管的漏极通过电容C13接地，光耦芯片 P521的3引脚接地，1引脚通过电阻R43连接5V电源，2引脚连接STC12C5A60S2 芯片的CP2引脚，24V电源一方面连接PMOS管的源极，另一方面通过并联的电 容C12和C14接地，第二电磁阀驱动电路与第一电磁阀驱动电路的电路结构相 同。

本系统冷水温度和热水温度采用DS18B20数字温度传感器来检测，DS18B20 是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特 点，图6为DS18B20温度采集电路。

由于DS18B20导热速度较慢，而系统要求出水温度具有高响应速度，因而 本系统采用实时性更高的PT100铂电阻进行温度采集。图7为PT100温度采集 应用电路，电路使用TL431提供2.5V的基准电压，通过桥式电路实现对PT100 铂电阻的采样，然后将采样的电压值通过LM358运放芯片进行放大处理，再将 放大后的信号AMI输出给主控芯片进行AD转换，最后主控芯片通过查表法得 到测量温度值。

PT100温度采集电路包括双运算放大器LM358和稳压源TL431，其中，PT100 的1引脚一方面通过串联的电阻R4和R1接5V电源，另一方面通过电阻R11 接双运算放大器LM358的3引脚，PT100的2引脚接地，双运算放大器LM358 的4引脚接地，电阻R9的一端连接可调电阻R18的一端，可调电阻R18的另 一端接地，电阻R9的另一端一方面连接双运算放大器LM358的2引脚，另一 方面通过电阻R5连接双运算放大器LM358的1引脚，电阻R16的一端接地， 另一端连接双运算放大器LM358的3引脚，双运算放大器LM358的5引脚连接 电阻R14的一端，电阻R14的另一端一方面连接STC12C5A60S2芯片的AMI引 脚，另一方面通过电阻R19接地，双运算放大器LM358的6引脚通过串联电阻 R12和R7连接双运算放大器LM358的7引脚，双运算放大器LM358的8引脚接 5V电源，稳压源TL431的阴极和参考极通过电阻R1连接5V电源，稳压源TL431 的阳极接地。

进一步地，所述微处理器的输入端还连接有设置按钮，所述微处理器的输 出端还连接有显示屏。

为了进一步验证基于自适应模糊PID的水温控制方法及其控制系统的调温 反应快速且精确度高，本实施例对常规PID温度控制和模糊PID温度控制分别 进行了仿真，如图8所示。由图8可知，自适应模糊PID控制器相对于传统的 线性PID控制器而言能够根据E和Ec的变化在线整定PID参数，所得到的系 统动态响应曲线较好，超调量小，稳定精度高。

表2所示，为实验室测定结果。

表2实验测定结果

本申请的上述实施例中，通过提供一种基于自适应模糊PID的水温控制方 法及其控制系统，采用模糊控制与PID算法中的PI算法相结合构成的模糊PID 控制器对水温进行实时监测和调整，即通过微处理器实时采集冷水温度、热水 温度及混合后温水的出水温度，将混合后温水的出水温度与预设温度进行对 比，利用模糊PID算法控制冷水和热水的流速，从而使其混合后温水的出水温 度恒定。该发明调温反应快速且精确度高。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上 述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改 性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。