一种具有自学习功能的智能恒温控制方法在燃气热水器中的应用

一种具有自学习功能的智能恒温控制方法在燃气热水器中的应用 一种具有自学习功能的智能恒温控制方法 在燃气热水器中的应用 豫5.201httg://w~sthea.cxmx~cu 一 刘筱明.. 1引言 在快速式燃气热水器中,恒温控制是一个令人困 扰,有一定技术难度的问题.由于系统的非线性及时变 特性,尤其是整个控制环路上的热惯性及参数的离散 性,为热水器的快速恒温控制带来了极大的难度,采用 传统的基于精确数学模型的控制方法难以解决问题, 采用模糊控制等智能控制方法也不易解决国内业界 诸多企业和科研部门为此付出了极大的努力,但收效 并不明显. 2控制结构 分析我们研究的对象,整个恒温控制系统涉及到 的变量主要有目标水温(设置温度),气量,水量进水 温度,实际出水温度等,因为一些控制方氇的需要,可 能还有一些衍生的中间变量如温差(实际出水温度与 目标水温之差),温差变化率等等.一十典型的燃气热 水器恒温控制系统可用图1来表示,其中控制模型在 PID控制时是一个PID控制器模型,在模糊控制时是一 个模糊控制器模型 在本丈所讨论的热水器系统中,控制系统的辕几 量仍是设置温度_rs,控科对象仅为气量(水量不变),反 馈量为出热水温度Tf,而调节气量的机构为燃气比例 阀.其工作方式是PWM控制方式控制系统的基本硬 件结构如图2所示. 在该系统中,与多数系统不同的是增加了一个记 忆系统EEPROM,正是这个记片为我们在系统中 实现具有学习功能的智能控制带来了极大的方便和 可能. 3控制原理 在该系统中,由于控制对象仅为气量,因此在调节 过程中,决定目标温度Ts的调节量主要是系统驱动比 例阈工作的PWM参数,进水温度n等参数.而进水 温度Tj我们束设进水温度检测,而且仅是一个静 态量(在一定时段内),在系统动态工作过程中完全可 U滤去1i的影响.因此,对系统实现控制时比较关键 的一对参数其实也就是是Ts和驱动比例阀工作的 PWM参数. 观察用户使用热水器时的行为特点,可以发现,在 一 个季节气温相对稳定不变的时期.用户设置热水器 目标温度时,一般是选定好一个温度后兢不会再频繁 改变,至多在实际使用时根据需要会微调一下.而在不 同季节转换期间,除非气温变化非常太,用户在调整热 水器的目标温度时,也是逐步调整的.以四季为一个周 期,基本上可以用图3来描述A的这种调整行为. 基于用户的这一行为特点,我们在热水器的控科 设计中,可以将凡是经用户第一次通过按键操作设置 后的设置温度,以及与之相对应的通过热水器第一 改自动恒温控制达到热平衡后驱动比例阀的PWM参 数,在EEPROM中以一定的数据结构形式比~ll<Tx, WMx>,按时间队列的方式记忆起来.EEPROM的内 部资源决定了记忆数据的容量太小,记忆起来的数据< Tx,PWMx>可作为热水器的"工作经验库,该经验库 晒 AID 二广JI#l一一 圈1一个典型的恒温控制系统框图 圈2基本硬件结构 田3用户使用热水嚣时调节温度的特点 http:?…stheaeomcn 的数据结构形式为<TO.PWM0>,订l,PWMl>,<T2. PWM2>,?,<TxPwMx>,,<Tn,PWMn>,如图4所 示.下次遇到用户设置_rs参数时,首先在"经验库"中查 询是否有与n相等或相近的,如果查询结果成立, 系统则优先使用"工作经验",从EEPROM中取出与该 _rx{等于或接近T旬相匹配的比例阀PWM参数PWMx, 直接执行恒温控制.考虑到经验可能存在的误差性, 在此基础上,系统再通过一定的闭环工作方式比如PID 控制,进行一些微调即可事实上,"微调是永远需要 的因为水压等外在因素的变化可能会给恒温带来一 些溲动. 系统积累(记忆)工作经验的方法是不停地累积 不停地完善.系统进行经验取数时,采用查询比较的 方式,找到与设置数最接近(距离?l?,否则作新数据 魁理)的_rx数,取出与之值相对应的PWMx参数.作 为此次控制的初步PWM参数,系统运行一定时间后, 再确定是否需要进行微调,如果不需要,则后面的过 程就一直以此PWMx参数工作,如果需要微调,则调 整好后,一方面维持稳定的恒温工作,另一方面即时 对存储在EEPROM中的经验数据进行修改刷新.在 遇到一个新的Ts数据时,系统首先采用比较原始的 恒温控制方式(比如PID控制方式)进行恒温工作,在 系统已经达到目标温度Ts后,系统还要确认是处在 匝砸肇 囤4EEPROM存 储数据结构 囤5EEPROM内部数据变化 稳定热平衡状态下还是处在中间波动的暂时稳定状 态,这可通过一段时间比如5秒内看温度的变化是否 超过稳态误差(比如?l?)进行判断.如果已经是热平 衡状态,则取出此时的PWM参数,与Ts一定,以数据 对<Tx,PWMx>的方式存人EEPROM中.如果是新的 数据(EEPROM中没有与_rs相等或接近的Tx数 据值),则以队列的方式存人在存储区间的最后,数据 溢出时淘汰队列最前面的数据,即最早存人的数据 如果EEPROM中原来已经有相同的Tx数据,则以刷 新的方式用新数据对代替旧数据对,而且存储位置移 到队列的最后(即最新存人位置).也就是说,系统始 终将最后一次的操作记忆在最新位置.以便下一次开 机使用时直接调用上次操作的状态,保持系统的可连 续性.不过,可能会遇到这样的情况:在炎热的夏季或 寒拎的冬季,用户设置的Ts过低或过高,由于冷水温 度极高或极低,导致热水器最终恒温的结果可能始终 都达不到这个温度.在这种情况下,系统经过"较长 时间的判断,发现系统始终进入不了恒温热平衡状 态,实际出水温度与目标温度Ts之间始终存在较大 的差距,因此,此时会自动作放弃处理,也就是说,系 统经过"较长"时间的恒温判断之后,"无奈只好将此 时的极限PWM参数与此时的目标温度Ts作为一对 正确的<Tx,PwMx>参数存人系统中,其错误只有依 靠将来来更正了.进行上述操作时EEPR0M内部数 据变化的有关情况如图5所示. 为了提高系统的运算速度和效率也可以在系统一 开始工作时,就将EEPROM中的全部内容读到MCU的 RAM区中,查询,计算,修改等中间工作过程全部在 RAM中直接进行,待阶段性过程完结,比如在一次<Tx PWMx>数据修改之后.再一次性将这部分内容整块写 入到EEPR0M中,这样可太大提高系统的运行速度和 运行效率,以免在MCU和EEPROM之问因频繁读出一 写入"而引致系统慢速和教率低,极大地浪费系统资源. 在车文所讨论的系统中,用户可操作设置温度范围 国6智能恒温控制系统工作原理国 为370?,设置精度为l?,因此, EEPR0M中最大可存储经验数据 对<Tx,PwMx>的数量为41个.由 于系统是强排机工作.按设计技术 要求.在比例阀PWM方式工作时, 系统对风机要实行配比调速.在控 制方式上,对风速的调节控制也采 取了PWM驱动方式,在调节过程 中,风速和气量保持一定的配比关 系,另外,在不同气种条件下,配比 孱 辔,曼.200 1概连 电饭锅娆饭是利用电加热的方式使米受热的它 的特点是发热均匀,火力可控制,烧煮结束会自动进 人保温状态,省时安全,简单,其发展经历了单一功能 的煮饭到现在的包括精细煮饭,快速煮饭,煮粥,煲汤, 定时开启等多种功能的过程,随着控制功能的增强,硬 件控制线路变得越来越复杂,导致硬件成本及故障率 越来越高,以软件控制烧煮过程的电脑电饭锅应运而 生,我们利用单片机控制烧饭过程,具有以F特: ?经过反复实践确定加热曲线,根据加热曲线进 行火力设置,再依据测温情况调整火力,实现闭环控 制,依据起始升温的速率及市电高低来判断米量的大 小,实现模糊控制. 通过键盘设定来自动完成各种烧煮功能 @具有数码显示定时开始和烧煮结束的恻记时功 能. @蜂鸣提示授键操作及烧煮结束,对异常情况声 光报警. .温度检测卜l温度采样AN5 r—=___= l塑垫墼望H47IL;81504高一uzz 匦藿吾J—— 一 壁堕(2 l时问及功能显 f示(2位数码管 ?垒土LJ 2工作原理 车设计选用LG81504单片机,以温度控制与时间 控制相结台的方法,实现电饭锅的煮饭,煮粥,煲汤,定 时开启等功能,其硬件结构如图1. 2.1温度和火力控制 电饭锅的工作温度由温度传感器(热敏电阻)来检 测,温度信号通过温度检测电路转化成电压信号,单片 机对该电压信号采样,便知道电饭锅的工作温度,然后 根据用户所设置的功能调用相应的程序模块.由该程序 来处理得到的温度信号,然后发出控制加热器开关的指 夸,从而调整火力(在单位时间内加热器接通的时间越 长,切断时间越短,则火力越强),由于电饭锅底加热盘 的热滞后性,切断加热器的温度点要此实际上升到的温 度点低,其差值与米量及所选功能有关(稍后详述). 22按键和显示 本设计只用两个按键:一个定时键,一个蕖单键.定 时范围30丹钟一12时30分,每按一次定时犍,增量为 30分钟.采用两位数码管外加一个半小时发光管显示 定时状况,5个发光管显示功能.韧改接通电源,数码管 显示一",发光管全部熄灭,表示加热器处于等待状 态,按菜单键数码管显示"0O,发光管指示即将进行的 烧煮程序.蕖单键循环功能如图2. "_+煮饭快煮煮粥炖汤保温 图2 参数可能要求也不同.因此,对气量和风速的PWM控 制参数之间的配比关系可用一个"气量一风速配比表 来描述,系统工作时,由目标温度(设置温度)lrs决定驱 动比例阀工作的PWM参数(占空比(3t~-1,然后叉通过查 询气量一风速配此表来决定风机工作的目标风速Vs. 其基本运行工作原理如图6所示. 我们可以看出,系统具有非常明显的自学习功能, 在工作中,它最初依靠原始的能力(比如PID恒温控 制),边工作边学习,逐步积累经验,在有一定的经验 后,它将主要依靠经验来工作,就像一十操作熟练的专 家,可以使整个系统以快速,准确的效果进行恒温控制. 实验结果证明,系统首次以某个lrs目标温度运行时,第 一 次采用比较原始的恒温方式(如PID)工作,恒温速度 稍微慢了一些,而第二次,第三次,…,以同样的lrs温度 运行时,则恒温非常快速,在外在条件不变的情况下,基 本上是一步到位,系统具有非常好的反应速度和鲁棒稳 定性. (蝙辑张莉莉)