基于自適應模糊pid的水溫控制方法及其控制系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及水溫控制領域，具體設及一種基于自適應模糊PID的水溫控制方法及 其控制系統。
【背景技術】
[0002] 傳統浴室的水溫調節一般是安裝一個冷、熱水調節裝置，目前常見的有手動調控 和自動調控兩種，手動調控是通過控制冷、熱水的水閥閥口的開度來調整混合后水的溫度， 運種控制方式浪費水資源，且水溫波動很大。自動調控普遍采用溫度傳感器作為測量裝置， 且對測量量的偏差信號采用PID控制來實現水溫控制。目前的控制器所采用的控制策略是 在已知被控對象精確數學模型的基礎上實現的。運種方法在系統穩定之后有較好的控制性 能，但在無法獲取被控對象準確數學描述時具有很強的局限性，因而存在一定的不適應性， 也因此影響了水溫控制的精度及其可行性。

【發明內容】

[0003] 本申請通過提供一種基于自適應模糊PID的水溫控制方法及其控制系統，采用模 糊控制與PID算法中的PI算法相結合構成的模糊PID控制器對水溫進行實時監測和調整，W 解決目前手動調節或者自動調節熱水器水溫，不僅會造成水資源的浪費，且控制精度不高， 使得實際水溫與預期水溫值誤差較大的技術問題。
[0004] 為解決上述技術問題，本申請采用W下技術方案予W實現：
[0005] -種基于自適應模糊PID的水溫控制方法，采用模糊控制與PID算法中的PI算法相 結合構成的模糊PID控制器對水溫進行實時監測和調整，具體包括如下步驟：
[0006] S1:獲取預設水溫To,獲取第一溫度傳感器檢測的冷水溫度Τι，獲取第二溫度傳感 器檢測的熱水溫度Τ2,獲取第Ξ溫度傳感器檢測的混合后溫水的出水溫度Τ3;
[0007] S2:計算誤差Ε = Τ3-Τ0，誤差變化率Ec =祀/化；
[000引S3:由模糊PID控制器的模糊算法整定PID參數中的比例參數Κρ和積分參數Ki; [0009] S4:計算Κρ' =Κρ*(Τ2-Τι)，Ki' =Ki*(T2-Ti);
[0010] S5:將KpM乍為新的比例參數，KiM乍為新的積分參數，計算出比例輸出Up=V巧， 積分輸出Ui = Ui+K/ *化-Ep)，式中，Ep為前一次的誤差；
[0011] S6:計算輸出抓T = Up+Ui;
[001 ^ S7:判斷OUT是否小于0,如果是，貝懐示需要升溫，進入步驟S8,否則，貝懐示不需 要升溫，進入步驟S9:
[OOK] S8:設定冷水流速Vi = 0.3,熱水流速V2 = 0.3+|0UT| ;
[0014] 89:設定熱水流速￥2 = 0.7，冷水流速￥1 = 0.7-|01]1'|;
[001引 S10:根據冷水流速Vi和熱水流速V2調整第一電磁閥的PWM占空比和第二電磁閥的 PWM占空比，來調整冷水和熱水的流速，從而將水溫調整到預設水溫To。
[0016]進一步地，步驟S3中模糊PID控制器的輸入變量為誤差E和誤差變化率Ec，輸出變 量為比例參數Κρ和積分參數Ki，輸入變量和輸出變量均采用高斯型隸屬度函數，模糊論域為 [-6，6 ]，采用重屯、法進行解模糊化運算。
[0017] -種基于自適應模糊PID的水溫控制方法的控制系統，包括微處理器、設置在冷水 箱出水管的第一溫度傳感器、第一電磁閥和第一水流傳感器、設置在熱水箱出水管的第二 溫度傳感器、第二電磁閥和第二水流傳感器，設置在混合水箱中的第Ξ溫度傳感器，其中， 第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第Ξ溫度傳感器、第一流速傳感器W及第二流速傳感器 連接所述微處理器的輸入端，所述微處理器的輸出端連接第一電磁閥驅動電路來調整第一 電磁閥的PWM占空比，所述微處理器的輸出端連接第二電磁閥驅動電路來調整第二電磁閥 的PWM占空比，從而實現對冷水和熱水流速的控制；
[0018] 所述微處理器采用STC12C5A60S2忍片，所述第一溫度傳感器和第二溫度傳感器均 采用DS18B20數字溫度傳感器，所述第Ξ溫度傳感器采用PT100銷電阻，該控制系統有24V和 5V兩種電壓源。
[0019] 進一步地，該第一電磁閥驅動電路包括PM0S管和光禪忍片P521，其中，PM0S管的柵 極一方面通過電阻R44連接光禪忍片P521的4引腳，另一方面通過電阻R42連接PM0S管的源 極，PM0S管的漏極通過電容C13接地，光禪忍片P521的3引腳接地，1引腳通過電阻R43連接5V 電源，2引腳連接STC12C5A60S2忍片的CP2引腳，24V電源一方面連接PM0S管的源極，另一方 面通過并聯的電容C12和C14接地，第二電磁閥驅動電路與第一電磁閥驅動電路的電路結構 相同。
[0020] 進一步地，PT100溫度采集電路包括雙運算放大器LM358和穩壓源化431，其中， PT100的1引腳一方面通過串聯的電阻R4和R1接5V電源，另一方面通過電阻R11接雙運算放 大器LM358的3引腳，PT100的2引腳接地，雙運算放大器LM358的4引腳接地，電阻R9的一端連 接可調電阻R18的一端，可調電阻R18的另一端接地，電阻R9的另一端一方面連接雙運算放 大器LM358的巧側，另一方面通過電阻R5連接雙運算放大器LM358的1引腳，電阻R16的一端 接地，另一端連接雙運算放大器LM358的3引腳，雙運算放大器LM358的5引腳連接電阻R14的 一端，電阻R14的另一端一方面連接STC12C5A60S2忍片的AMI引腳，另一方面通過電阻R19接 地，雙運算放大器LM358的6引腳通過串聯電阻R12和R7連接雙運算放大器LM358的7引腳，雙 運算放大器LM358的8引腳接5V電源，穩壓源化431的陰極和參考極通過電阻R1連接5V電源， 穩壓源化431的陽極接地。
[0021] 進一步地，所述微處理器的輸入端還連接有設置按鈕，所述微處理器的輸出端還 連接有顯示屏。
[0022] 與現有技術相比，本申請提供的技術方案，具有的技術效果或優點是:基于自適應 模糊PID的水溫控制方法及其控制系統，調溫反應快速且精確度高。
【附圖說明】
[0023] 圖1為水溫控制方法流程圖；
[0024] 圖2為模糊PID控制器的結構模型；
[0025] 圖3為模糊控制輸入輸出關系圖；
[0026] 圖4為水溫控制系統結構框圖；
[0027] 圖5為電磁閥驅動電路圖；
[0028] 圖6為DS18B20溫度采集電路圖；
[0029] 圖7為PT100溫度采集電路圖；
[0030] 圖8為仿真結果對比圖。
【具體實施方式】
[0031] 本申請實施例通過提供一種基于自適應模糊PID的水溫控制方法及其控制系統， 采用模糊控制與PID算法中的PI算法相結合構成的模糊PID控制器對水溫進行實時監測和 調整，W解決目前手動調節或者自動調節熱水器水溫，不僅會造成水資源的浪費，且控制精 度不高，使得實際水溫與預期水溫值誤差較大的技術問題。為了更好的理解上述技術方案， 下面將結合說明書附圖W及具體的實施方式，對上述技術方案進行詳細的說明。
[00創實施例
[0033] -種基于自適應模糊PID的水溫控制方法，采用模糊控制與PID算法中的PI算法相 結合構成的模糊PID控制器對水溫進行實時監測和調整。PID算法是一種應用非常廣泛的控 制方法，對于一個線性系統，PID參數可W通過指定閉環極點的方法獲得。在本發明中，由于 使用的是機械式電磁閥，難W保證電磁閥開關的精確度，那么PID的微分環節會受到精確度 低的影響而干擾系統的穩定性，因而本發明的水溫控制方法舍棄微分環節，使用PI算法控 制水溫。
[0034] 如圖1所示，具體包括如下步驟：
[0035] S1:獲取預設水溫To,獲取第一溫度傳感器檢測的冷水溫度Τι，獲取第二溫度傳感 器檢測的熱水溫度Τ2,獲取第Ξ溫度傳感器檢測的混合后溫水的出水溫度Τ3;
[0036] S2:計算誤差Ε = Τ3-Τ0，誤差變化率Ec =祀/化；
[0037] S3:由模糊PID控制器的模糊算法整定PID參數中的比例參數Κρ和積分參數Ki;
[003引 S4:計算Κρ' =Κρ*(Τ2-Τι)，Ki' =Ki*(T2-Ti);
[0039] S5:將KpM乍為新的比例參數，KiM乍為新的積分參數，計算出比例輸出Up = V巧， 積分輸出Ui = Ui+K/ *化-Ep)，式中，Ep為前一次的誤差；
[0040] S6:計算輸出 0UT = Up+Ui;
[0041] S7:判斷OUT是否小于0,如果是，則表示需要升溫，進入步驟S8,否則，則表示不需 要升溫，進入步驟S9:
[0042] 88:設定冷水流速￥1 = 0.3，熱水流速￥2 = 0.3+|01]1'|;
[00創 89:設定熱水流速￥2 = 0.7，冷水流速￥1 = 0.7-|0叫；
[0044] S10:根據冷水流速Vi和熱水流速V2調整第一電磁閥的PWM占空比和第二電磁閥的 PWM占空比，來調整冷水和熱水的流速，從而將水溫調整到預設水溫To。
[0045] 模糊PID控制器的結構模型如圖2所示，模糊控制的輸入變量為誤差E和誤差變化 率Ec，輸出變量為比例參數Κρ和積分參數Ki，如圖3所示。各變量的模糊子集都是NB負方向大 的偏差，Ml負方向中的偏差，NS負方向小的偏差，Z0近于0的偏差，PS正方向小的偏差，PM正 方向中的偏差，ro正方向大的偏差，模糊論域為[-6,6]，輸入輸出變量均采用高斯型隸屬度 函數，采用重屯、法進行解模糊化運算，模糊控制規則如表1所示。
[0046] 表1模糊控制規則
[0047]
[0048] 一種基于自適應模糊PID的水溫控制方法的控制系統，如圖4所示，包括微處理器、 設置在冷水箱出水管的第一溫度傳感器、第一電磁閥和第一水流傳感器、設置在熱水箱出 水管的第二溫度傳感器、第二電磁閥和第二水流傳