基于模糊温度控制的住宅供暖调节器的设计

姜久超,刘 日韦,张 斌

(1.河北工程技术高等专科学校 电气自动化系,河北 沧州 061001;2.沧州市供电公司,河北 沧州 061001)

我国居住类建筑的采暖供热现在主要以热电厂和区域锅炉房为主要热源。 GB50019-2003《采暖通风与空气调节设计规范》中,明确规定冬季民用建筑室内采暖温度为16～24℃,冬季北方各城市室内采暖温度普遍规定18℃。在进行室内采暖系统设计时,设计人员应考虑按户热表计量和分室控制温度的可能性。现在新建建筑一般都能做到按户控制设计,但大多数还是按面积收费,从设计规范和建筑节能来看,按户热量收费和分室控温已是发展方向。以单片机为核心,基于模糊温度控制,面向家庭的智能住宅供暖调节控制器的研究,对推行热量计费、节约能源有着重要的意义。

1 供暖调节控制器简述

节能供暖控制器主要由温度检测、单片机模糊控制、时钟、键盘、液晶显示、驱动电路、电动执行和短信报警模块组成,系统框图如图 1所示。

本装置具有中文液晶实时显示室内温度、设定温度、设定时间段及日期等参数;可随时改变设定温度和时间段从而改变供热流量;在设定温度范围内自动调节阀门开度,保证供热舒适度和节能;还可以进行无人时的短信报警控制,使系统按主人要求自动工作等功能。

温度测量传感器首先将室内温度信号转变成数字信号送单片机,与设定温度相比较,经模糊控制后,输出给电动执行信号,从而控制电动阀的开度,达到控制热流量的目的。使室内温度达到一个最佳值,而热能的消耗处在一个最小值。装置还可以按照设定的不同模式运行,模式不同,阀门开度也不一样;通过手机短信形式,还可以无线控制装置的运行状态。

图1 供暖控制器系统框图

2 温度模糊控制器的设计

房间的温度变化由于干扰因素多、有关参数变化范围较大等原因,难以建立精确的数学模型。模糊控制技术的控制算法由控制规则和推理机构组成,能方便地描述控制操作人员的控制经验,不需要被控对象的数学模型,便可达到较好的控制效果,非常适用于温度控制系统[1]。

2.1 模糊控制的结构

系统采用二维模糊控制[2],结构如图2所示。设模糊变量为:e(温差 ),ec(温差变化率),u(输出量)。e=T0-T1为给定温度值T0与实测温度值T1的差值,ec由计算机算出的温差变化率,经模糊后形成温差 E和温差的变化率EC,再经模糊推理决策输出控制变量U,U对应电动阀门的开度。

图2 模糊控制过程框图

2.2 模糊化

温差E和温差的变化率EC表达为:负大(NB),负中 (NM),负小 (NS),零(ZO),正小 (PS),正中 (PM),正大(PB)共7个模糊子集。温差E的论域为E=[-3,+3],精确量可以划分为7级;温差变化率论域与温差相同,选取模糊子集与温差也相同。他们的隶属度函数选择为三角形,如图3所示。输出变量取U的偏差ΔU,取负大 (NB),负中(NM),负小 (NS),零 (ZO),正小(PS),正中 (PM),正大(PB)共 7个模糊子集,分别对应为阀门的开度即:开度小、开度偏小、开度较小、开度适中、开度较大、开度偏大、开度大[3][4]。

图3 E-EC的隶属度函数

2.3 模糊控制规则

该系统为双输入单输出模糊控制,根据过程控制的实际经验得到推理语言规则[5]:

IF{温差为负大 AND温差变化率为正大}THEN{输出控制增量为正大阀门开度大}写成符号形式为

在应用模糊控制器实际控制时,一定的偏差和偏差变化率就有相应的IF-T HEN控制规则生效,而这些生效的控制规则产生一个综合的推断结论,再按取隶属函数最大值的原则求出相应的控制量,并通过解模糊过程转换为一个确定的输出值,控制电动阀的开度。最后得到的总的模糊控制规则如表 1所示。

表1 模糊控制规则表

3 控制系统仿真

控制系统仿真结果如图4和图5所示(设定室内温度18℃ )。

图4 室内温度高于18℃的模糊仿真曲线

图5 室内温度低于18℃的模糊仿真曲线

4 结论

通过模糊控制调节冬季室内供暖温度,从控制效果和仿真效果来看,模糊控制有着显著的优点和工程意义[6],能对复杂时变和非线性的控制系统模仿,升华控制经验和策略,进行具有智能特点的控制。该控制系统具有实时性好、控制速度快、稳定性好等优点。但由于室内温度为一个大滞后环节,冬季供暖的质量高低(供水温度、管道压力、热交换站的工作性能的优越与否等)也直接影响着室内温度的变化和质量。

[1]姜久超,刘日韦.居住建筑供暖调节器设计 [J].暖通空调,2010,40(9),131-132.

[2]杨春敏,王信.房间温度模糊控制系统及其仿真[J],能源技术,2003,24(3):98-99.

[3]夏晓敏,王坤琳,吴必军等.模糊控制在小型风电系统MPPT中的应用 [J].可再生能源,2009,27(3):30-31.

[4]庞丽萍,王 浚.油田直热炉温度/流量的模糊控制 [J],热能动力工程,2003,18(5):505-506.

[5]张雪平,王志斌.基于模糊控制的 PLC在温度控制中的应用[J],电气传动,2005,35(8):54-55.

[6]涂岱昕,田雨辰,李建兴.室内供暖系统温度调节与节能分析 [J],暖通空调,2008,38(8):60-61.