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主题词：太阳能模糊控制理论

太阳能仪表的模糊控制理论与方法

2007-06-15 中国能源投资网

传统的控制系统的基本结构根据被控对象的状态变量是否被负反馈到控制器，可以分为开环控制系统和闭环控制系统。要想对被控对象实现自动控制，应该采用闭环控制模式，而在设计满足控制目标的控制器时，就必须要有控制对象的数学模型。然而，被控对象能用传统数学方法描述其内在特性及其变化规律的并不多，只能是突出主要矛盾，略去其次要矛盾而进行某种简化，因而得到的精确的数学形式只能是对真实物理系统的近似描述，根本无法得到其数学模型。

　　我们能否利用操作工人的熟练经验用机器来模拟，从而避开寻找精确数学模型的困难，达到实现太阳能热水器闭环自动控制的目的呢？这正是模糊控制理论方法所要解决的问题。　　

　　一、单元供水太阳能热水器模糊控制系统结构

　　在控制方案的设计过程中，我们必须要考虑如何充分利用太阳能，在天气好的情况下，电加热器尽量不用或少用，而只有在太阳能强度不够的情况下，为了满足用户的要求，才启用电加热方式，补充太阳能的不足。根据以上的控制要求，我们可以采用模糊控制技术来完成对电加热器和循环泵的控制。
　　

　　单元供水太阳能热水器模糊控制系统结构框图如下图1所示。它包括输入部分、单片机和输出部分。输入部分主要用于采样热水器的内部状态以及输入与校正实时时间、用户所设定的温度和预约用水时间，所以输入部分应包括5个采样点水温的检测电路，用于各项设定的键盘电路，以及电源的检测电路。输出部分主要用于控制循环泵、电加热器的工作状态，以及用于显示各采样点的水温值和实时时间，所以输出部分应包括循环泵的通断控制电路，电加热器的通断控制电路和显示电路。

　　
　　在实际控制中，电源检测监控电路用于对单片机的工作电源电压进行检测监控，在单片机电源电压达不到正常值的情况下，或掉电的情况下，能够及时保存用户的设定值，而在电源电压恢复正常的情况下，自动复位单片机，并可调出所保存的设定值，供单片机使用。

　　循环泵Ⅰ的温差控制如果按控制要求所设定的上限和下限一成不变来开关，我们会发现，在天气比较好的情况下，我们将无法充分地利用太阳热能。因为在天气比较好的情况下，主水箱水温T2会上升得比较高，而循环泵Ⅰ要求在T3－T2≥15℃才启动，但在T2比较高的情况下，要求T3比T2高出15℃，要么太阳照射需要更强，要么照射时间需要更长，否则循环泵Ⅰ将不会动作，因而也就无法将采集到的热量带到主水箱中去，这样，显然无法更充分地利用太阳热能。因此，我们应根据实际情况，适当调低循环泵Ⅰ开关的上下限，使得循环泵Ⅰ在天气比较好的情况下，启动的次数增加，达到充分利用太阳能的目的。这里我们可以根据T2来判断天气的好坏来改变循环泵Ⅰ的上下限，因此可以得到一个单输入双输出的模糊控制器来改变上下限，然后，循环泵Ⅰ根据新的上下限来进行温差控制，其控制结构框图（如图2所示）。

　　循环泵Ⅱ的温差控制由于并不涉及太阳能利用问题，主要是为了保证用户在用水的开始时刻就有热水供应而添加的一个环节。因为如果用户较长时间不用水，而在副水箱出水口又没有循环泵Ⅱ这一环节，可能会造成水管内的水温比较低，用户只有用了一段时间，才能使得热水正常供应，倘若加上循环泵Ⅱ这一环节，则就可以消除用户的这种不适感，故而循环泵Ⅱ其工作状态转变时所需的上、下限可以保持不变。其控制结构框图如图3所示：

　　电加热器Ⅰ的控制是一个双输入单输出的控制系统，其控制结构框图如图4所示。显然，对于电加热器Ⅰ，我们需要不断地采样T1的数值，对e1和△e1作出模糊推理来决定电加热器Ⅰ的开和关。同时，我们还应该考虑到以下一个问题，就是电加热器Ⅰ的开和关不能过于频繁，否则会对电加热器造成损害，缩减电加热器Ⅰ的使用寿命。因此，一旦电加热器Ⅰ开启之后，我们就让它将出水口水温加热至某一上限值(在这里我们可以取高于设定温度5℃作为上限值)才关闭电加热器Ⅰ，这样既为用户提供了足够的用水量，同时又保证了电加热器Ⅰ在关闭后不会马上又重新开启，减少了开关次数，延长了电加热器Ⅰ的使用寿命。　　

　　电加热器Ⅱ的控制与电加热器Ⅰ的控制不同，它不需要时时刻刻保证主水箱水温T2维持在设定值R附近，只需在用户设定的预约用水时刻保证T2达到设定值R即可。显然，我们需要根据T2与设定值R的偏差(＝R－T2)来判断所需要的预热时间，如果T2比设定值R低很多，即e2很大，则加热时间就要比较长，如果e2比较小，则加热时间就可以短一些。在认为热散失比较小的情况下（即水箱的保温性能比较好的情况下），基本上我们可以只根据R－T2来决定需要多长的加热时间，这是一个单输入单输出模糊系统。然而，在有太阳能的影响下，仅仅只根据此刻的温差来决定需要加热多长时间，显然不够合理，例如，虽然根据此刻的温差经过模糊推理我们得到需要3小时的时间才能将水温提高到设定温度，但有可能因为天气特别好，不需要电加热，在3小时后，主水箱水温T2就能够达到设定值R，那么显然我们就无需在3小时前就将电加热开启，只需利用太阳能就可以达到目的。因此在对电加热器Ⅱ的控制过程中，我们必须有一个环节对天气情况进行判断，通过经验来预估在不加电的情况下，主水箱水温到达预约用水时刻时能够达到的程度，以此来修正主水箱水温与设定值的之间温差，再通过模糊推理判断需要加热多长时间。其控制结构框图如图5所示：
　　

　　二、模糊控制方案设计

　　在前面的分析中，我们知道，可以对循环泵Ⅰ的温差循环，以及电加热器Ⅰ和电加热器Ⅱ采用模糊控制技术，达到既充分利用太阳能，又满足用户热水供应的目的。这三者的控制可以看成是相互独立的，在每个控制回路中，它们分别有各自的模糊量定义和控制规则。

　　1.循环泵Ⅰ温差循环的模糊控制

　　对于循环泵Ⅰ的温差循环，我们通过模糊控制技术来改变温差循环所需的上、下限，由前面的分析可知，这是一个单输入双输出的控制结构。但如果我们令上、下限增减的幅度相同，即上、下限之差保持不变，那么，我们就可以将单输入双输出的控制结构简化为一个单输入单输出的控制结构，这样，我们只需要通过判断T2，再决定上、下限增减幅度，就可确定循环泵Ⅰ开关上、下限的具体数值了。

　　通过温度采样器获得主水箱水温T2，将T2模糊化，其语言变量值分别取“低（L）”、“中低（ML）”、“中（M）”、“中高（MH）”、“高（H）”，它们的意义如图6所示：　

　　对上、下限增减幅度，如果我们把上限15℃，下限10℃分别看作是最高上、下限，采样获得T2后，判断T2的高低，再以最高上、下限为基准，适应下调上、下限，就可获得确定的上、下限，因此，下调量便是我们需要进行推理的控制量，对下调量，采用单点，并且取“零”、“少”、“中”、“中多”、“多”，分别用Z、S、M、MM、MA表示，如图7所示：

循环泵Ⅰ温差循环的控制规则如表所示：

　　从表中可知控制的条件语句形式如下：IF T2 HEN　U。如从表中第2列处有控制规则：IF　T2＝ML　THEN　U＝S，同时，我们很容易就可以获得针对下调量的控制表。

　　 2.对电加热器Ⅰ的模糊控制

　　对电加热器Ⅰ的控制是一个双输入单输出的控制结构，输入量是温度偏差e1（e1＝R－T1）和的变化率△e1，输出量是电加热器Ⅰ的开关信号。T1温度偏差e1和e1的变化率△e1的语言变量值都取“负大（NB）”、“负小（NS）”、“零（ZE）”、“正小（PS）”、“正大（PB）”这5个模糊值，而电加热器Ⅰ的控制信号，则只取开关的“通（ON）”和“断（OFF）”这两种状态，副水箱出水口水温温度偏差e1、温差变化率△e1和输出量U1的模糊化如图8所示。在图中可以看出，温度偏差e1和温差变化率△e1都有5个模糊量，并且名称相同。

图8电加热器Ⅰ控制有关模糊量

　　对于出水口T1的温度控制，控制规则如表2所示：　　

表2 副水箱出水口温度模糊控制规则

　　事实上，对于电加热器Ⅰ的控制还有一个条件，即，一旦电加热器Ⅰ启动后，不应马上又使之关闭，只有电加热器Ⅰ将副水箱水温加热到一定的上限时，才关闭电加热器Ⅰ，这样才能减少电加热器Ⅰ的开关次数，又能保证用户用水要求。

　　如果用HBIT1表示电加热器开的状态，则在表中，凡是U1=OFF语句规则应为：

　　例如在表中，第二列第三行的语句，就表示为：

　　语句中表示电加热器Ⅰ启用后，这些关闭电加热器Ⅰ的控制规则将失去作用，只有当T1的温度达到某一上限时，才能自动将电加热器Ⅰ关闭。

　　3.电加热器Ⅱ的模糊控制

　　对电加热器Ⅱ进行控制是为了满足在用户设定的预约用水时刻，能够使得主水箱水温T2达到用户的设定水温R。在主水箱保温措施比较好，热损失低的情况下，基本上可以认为对电加热器Ⅱ的控制是一个单输入单输出的控制结构，输入量是温差e2（e2＝R－T2），输出量是预热时间长度。我们把输入量温差的实际范围［0℃，60℃］映射到［－6，＋6］上，并在它上取7个模糊量，“负大（NB）”、“负中（NM）”、“负小（NS）”、“零（Z0）”、“正小（PS）”、“正中（PM）”、“正大（PB）”，将预热时间长度的实际范围［0，360分］映射到［－6，＋6］上，并在它上也取7个模糊量“负大（NB）”、“负中（NM）”、“负小（NS）”、“零（Z0）”、“正小（PS）”、“正中（PM）”、“正大（PB）”，e2、U2＝糊化情况如图9所示：

图9电加热器Ⅱ控制有关模糊量

　　电加热器Ⅱ的模糊控制规则为表3所示：

表3预热时间模糊控制规则

　　即温差越大，预热时间则应该越长。

　　在上述模糊控制规则当中，我们没有考虑天气对水箱水温的影响，这显然不符合实际情况，那么怎样才能将天气的情况正确地加以考虑呢？我们需要通过经验，预测到在不加电的情况下，主水箱水温仅通过集热器采热，在预约用水时刻能够将水温预热到怎样一种情况。显然，如果天气特别好，离预约用水时刻的时间段又比较长的话，则有可能不需加电就能够使得主水箱水温达到用户的设定要求，这给我们一个启发，我们可以通过预估的升温△T2去修正此时所采样的得到T2，可以得到T2′＝T2＋△T2，然后用修正后的T2′与设定温度R作差，求出温差进行模糊推理求出预热时间。如何通过天气状况以及此刻距离预约用水时刻的时间长度去求出预估升温△T2，可以用模糊推理去实现。我们按下面方法做，通过一定时间间隔采样T3的温度变化情况预测T2在一个单位时间内（比如1小时）的升温情况，很显然，T3的温度变化情况反映了天气状况，如果T3的温度变化很大，则在单位时间内T2应该升温很高，因此，我们取T3的温度变化率的语言变量值为“零（Z）”、“小（S）”、“中（M）”、“大（B）”，T2单位时间内升温的语言变量值采用单点，并且取“零（Z）”、“少（S）”、“中（M）”、“多（MA）”，如图10所示：

图10　T2随天气变化有关模糊量

　　推理规则为表4所示：

表4　T2随天气变化的模糊控制规则

　　通过判断T3的变化情况获得太阳照射的强度，然后再根据此刻距离预约用水时刻的时间长度，预估出在这段时间内T2所能达到温度T2′，再用这个修正后的T2′去推理出所需要的预热时间。需要注意的是对T3变化率的采样，应该是排除由于循环泵Ⅰ启动造成T3所骤变的这种情况，即只有在泵Ⅰ不作业时，所采样到的T3的变化率才是有效的。

　　三、控制系统的电路结构

　　单元供水太阳能热水器控制系统的电路由微处理器ATMEL89C52，A/D转换器TLC0838，时钟芯片PCF8563，EEPROM X5045，数码管显示电路，电键电路以及功率控制电路组成，下面分别对各部分的结构和意义进行介绍。

　　1.微处理器ATMEL89C52

　　ATMEL89C52带有8KByte ROM，256Byte RAM，比51系列单片机的容量都要大，能够很好地满足编程的需要，并且可提供足够的I/O端口，利于系统的进一步扩展。ATMEL89C52由稳压电源供给＋5V工作电源。

　　2.状态检测电路

　　状态检测电路用于对5个采样点的水温进行检测，以及对各采样点进行故障检测。状态检测电路由TLC0838和热敏电阻组成，TLC0838是8位串行控制A/D转换器，有可输入配置的多通道多路器和串行输入输出方式。具有8位分辨率，单5V供电，输入范围0～5V。由在现场的热敏电阻的电压变化（0～5V）信号，经0838A/D变换后，串行输入单片机P0.3口，再在单片机内，根据热敏电阻电压－温度的关系，通过软件编程的方法，换算成－10℃～110℃，然后由数码管进行显示。

　　TLC0838需要为其提供一个＋5V的参考电压，在这里我们用精密电源MC1403和运放器LM358组成的电路为0838提供＋5V的参考电压。精密电源MC1403可以提供＋2.5V的基准电压，经运放后，我们就可以获得＋5V的参考电压了。利用0838还可以对各样点的工作状态进行检测，如果热敏电阻工作不正常，处于开路或断路状态，则0838通过A/D转换后，能够判别出热敏电阻故障类型，并实时的以故障代码的形式由数码管显示出来。

　　3.显示电路

　　显示电路由5个发光二极管L1～L5，和4个共阳极7段发光数码管组成。发光二极管用于指示电源、循环泵及电加热器的工作状态，L1、L2点亮分别说明循环泵Ⅰ、循环泵Ⅱ正在运行，L3、L4则分别指示电加热器Ⅰ和Ⅱ的工作状态，L5点亮则表示电源接通。4个7段数码管用于显示实时时间、各采样点水温，并可用于在设定状态下，显示设定温度、设定的预约用水时刻。发光二极管和数码管都以扫描的方式进行显示。由4094串入并出输出字形码，然后经P1.0～P1.4分别选通各个数码管和发光二极管，20ms一个周期，即扫描频率为50Hz，因而显示无闪烁感。

　　4.按键电路

　　按键电路与显示电路复用，可节省很多I/O端口。显示的时候，在每个扫描周期，自动检测判断是否有按键按下，如果有按键按下，在下一个扫描周期里再次检测判断此按键是否还处于闭合状态，即通过延时消除按键抖动的影响，如果按键还处于闭合状态，则生成相应键码，并由相应键码产生相应的动作。

　　5.时钟芯片PCF8563

　　PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路（1.0V）以及两线制I2C总线通讯方式，不仅使外围电路极其简捷，而且也增加了芯片的可靠性。在这里，我们利用PCF8563的中断输出，在PCF8563的/INT脚产生周期为1s的脉冲中断信号，去触发单片机的INT0口，然后再在单片机的中断服务程序中读取时钟以供显示。

　　6.EEPROM X5045

　　带4Kb SPI EEPROM X5045将四种常用功能：上电复位、看门狗定时器、电源电压和块锁（Block Lock）保护的串行EEPROM存储器组成一个封装之内，这种组合降低了系统成本，减少了电路板空间和增加了可靠性。向器件加电时激活了上电复位电路，它保持RESET有效一段时间，这可使电源和振荡器稳定然后微处理器再执行代码。

　　7.功率输出电路

　　功率输出电路共有四路，分别用于控制两个循环泵和两个电加热器。功率输出电路比较简单，只需用一般的三极管驱动继电器去控制循环泵及电加热器的开和关。