智能水温控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及智能控制技术领域，尤其涉及一种智能水温控制方法及系统。
【背景技术】
[0002] 水是人类生存与发展不可缺少的部分，而水温则是水的众多参数中极为重要的一 个。随着科技的不断进步，工业生产和日常生活对水温有着极为严格的要求。在工业领域 中，对水温的精确控制可以保证生产自动化的顺利进行。在日常生活中，人们可以自由设定 水温，以达到自己的需求。由此可见，智能水温控制技术有着很好的应用前景和实用意义。 水温控制就是为了使水温达到预期的要求，系统获取环境参数后，结合各种先进技术和科 学算法，实现产品质量提高和生产安全的目的。目前，精密水温控制系统作为一种先进技术 广泛应用在生产生活中，如食品制作、药物制品、化工制品以及普通家电等。另外，控制的精 确性决定了产品质量。单片机控制水的温度，有效地提高了控制能力，实现智能的目标。传 统的水温控制性能不佳，甚至有不稳定、失控的现象。之所以会出现这种现象，是因为传统 水温控制采用电阻限流方式，这一类的控制对象惯性较大，容易造成滞后。实际中能源浪费 主要由系统整体功率的不变性导致。
[0003] 十九世纪七十年代，国外开始研究温度控制。经过几十年的不断探索，国外的温度 控制系统由最初的利用模拟组合仪表采集信息，再进行各种计算和推导来实现温度控制， 迅速地走向智能化和小型化。到了 21世纪初，通过微机采集并控制信息传输的"多因子综 合控制系统"已经被科学家们着手研发了，世界正走向无人化自动控制。我国的科学家从 1980年开始才慢慢学习只针对单项环境因子的温度室内微机技术。目前，国内的温度控制 系统只能达到20世纪中后期的水平，相比于发达国家还有很大的差距。在具有滞后特性和 复杂时变特性的温度控制系统中，我国目前的技术还远远不够。我国与发达国家之间的差 距主要在于仪表的商品化，国内正在不断改进自适应控制技术以求减小差距。PID控制器作 为一种较成熟的控制器，经常被用于智能化控制仪表的制作。不过，温度控制系统的要求随 着人们对生活质量要求的提高愈发严格，简单的PID控制技术已经不能满足人们对水温的 精密度以及快速响应性的要求。
[0004] 而基于单片机控制的水温系统，既可以提高系统精确度和稳定性，也可以降低能 源的消耗。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种智能水温控制系统，提高系统精确度 和稳定性，降低能源的消耗。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种智能水温控制系统，包括：温度测量模 块、红外遥控模块、显示模块、发声模块、单片机、温度控制模块和加热模块，其中，所述温度 测量模块用于实时监测水温，获得实时水温T g并发送至单片机；所述红外遥控模块用于遥 控设置需要达到的目标水温Tw并发送至单片机；所述发声模块用于在所述目标水温T w设置 成功后发声提示；所述显示模块用于显示实时水温1；和所述目标水温T w;所述单片机用于 根据所述实时水温Tg和所述目标水温T w计算得到水温差值e = T W-Tg和差值变化率ec = de/dt，并比较水温差值的绝对值I e I与预设阈值e。，当I e I彡e。时，采用Bang-Bang变结 构控制方法通过温度控制模块对加热模块进行控制加热，当I e I <e。时，采用基于自适应PID 控制的PffM控制方法通过温度控制模块对加热模块进行控制加热，使水温最终达到目标水 温Tw。
[0007] 进一步的，所述红外遥控模块包括红外遥控器与型号为HX1838的红外接收头，所 述HX1838的红外接收头连接所述单片机，所述红外遥控器用于设定目标水温T w并发送目 标水温Tw至所述红外接收头，所述红外接收头用于将所述目标水温T w发送至所述单片机。
[0008] 进一步的，所述温度控制模块具体为继电器，所述温度测量模块具体为型号为 DS18B20的温度传感器，所述显示模块为型号为12864的液晶显示屏，所述单片机型号为 STC89C58。所述发声模块具体为蜂鸣器。
[0009] 本发明还公开了一种智能水温控制方法，所述方法基于上述的智能水温控制系 统，则所述方法包括：
[0010] 温度测量模块实时监测水温，获得实时水温Tg并发送至单片机；
[0011] 红外遥控模块遥控设置需要达到的目标水温Tw并发送至单片机；
[0012] 发声模块在所述目标水温Tw设置成功后发声提示；
[0013] 显示模块显示实时水温Tg和目标水温T w;
[0014] 单片机根据所述实时水温Tg和所述目标水温T w计算得到水温差值e = T "_1；和 差值变化率ec = de/dt，并比较水温差值的绝对值|e|与预设阈值e。，当|e|彡e。时，采用 Bang-Bang变结构控制方法通过温度控制模块对加热模块进行控制加热，当I e I <e。时，采用 基于自适应PID控制的PffM控制方法通过温度控制模块对加热模块进行控制加热，使水温 最终达到目标水温T w。
[0015] 进一步的，所述采用Bang-Bang变结构控制方法通过温度控制模块对加热模块进 行控制加热，具体包括：
[0016] 来回转变使用Bang-Bang变结构控制函数的最大值和最小值，从而控制温度控制 模块的断电和通电状态，进而控制加热模块加热，使水温升高。
[0017] 进一步的，所述采用基于自适应PID控制的PffM控制方法通过温度控制模块对加 热模块进行控制加热，具体包括：
[0018] 根据所述水温差值和所述差值变化率选取自适应PID控制参数：比例系数KP、积 分系数K 1和微分系数K D;
[0019] 根据选取的比例系数KP、积分系数K1和微分系数K D通过自适应PID控制产生稳定 输出；
[0020] 将自适应PID控制产生的稳定输出与锯齿波进行比较，得到PffM波；
[0021] 根据PffM波的占空比控制温度控制模块的断电和通电状态，从而控制加热模块， 使水温达到目标水温T w。
[0022] 进一步的，所述根据所述水温差值和所述差值变化率选取自适应PID控制参数： 比例系数K P、积分系数K1和微分系数K D，具体包括：
[0023] 水温差值e大于阈值ei时，K P取值大于阈值K P1，Kd取值小于阈值K D1，K1取0 ;
[0024] 水温差值e小于阈值e2时，K P取值大于阈值K P1，K1取值大于阈值K "，Kd取阈值K D1 或Kdi附近值；
[0025] 水温差值e小于阈值ei大于阈值e 2时，K P取值小于阈值K P1，Kd取值小于阈值K D1， K1取阈值K11或K11附近值，其中，e々h。
[0026] 实施本发明，具有如下有益效果：
[0027] 本系统在控温方面较之于传统的PID水温控制系统，响应更加迅速，相对误差较 小，精确度更高，能源消耗少。
【附图说明】
[0028] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0029] 图1是本发明提供的智能水温控制系统的一个实施例的系统框图。
【具体实施方式】
[0030] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031] 图1是本发明提供的智能水温控制系统的一个实施例的系统框图，如图1所示，包 括：温度测量模块101、红外遥控模块102、显示模块103、发声模块104、单片机105、温度控 制模块106和加热模块107。
[0032] 其中，温度测量模块101用于实时监测水温，获得实时水温1；并发送至单片机 105 ;红外遥控模块102用于遥控设置需要达到的目标水温Tw并发送至单片机105 ;发声模 块104用于在目标水温Tw设置成功后发声提示；显示模块103用于显示实时水温T g和目 标水温Tw;单片机105用于根据实时水温T g和目标水温T w计算得到水温差值e = T "-1；和 差值变化率ec = de/dt，并比较水温差值的绝对值|e|与预设阈值e。，当|e|彡e。时，采用 Bang-Bang变结构控制方法通过温度控制模块106对加热模块107进行控制加热，当I e I <e。 时，采用基于自适应PID控制的PffM控制方法通过温度控制模块106对加热模块107进行 控制加热，使水温最终达到目标水温T w。
[0033] 其中，红外遥控模块102包括红外遥控器与型号为HX1838的红外接收头，HX1838 的红外接收头连接单片机，红外遥控器用于设定目标水温T w并发送目标水温T w至红外接收 头，红外接收头用于将目标水温Tw发送至单片机。
[0034] 其中，温度控制模块106具体为继电器，温度测量模块101具体为型号为DS18B20 的温度传感器，显示模块103为型号为12864的液晶显示屏，单片机105型号为STC89C58。 发声模块104具体为蜂鸣器。
[0035] 本发明还提供了智能水温控制方法的一个实施例，此方法基于上述的智能水温控 制系统，则方法包括步骤：
[0036] S101、温度测量模块实时监测水温，获得实时水温Tg并发送至单片机。
[0037] S102、红外遥控模块遥控设置需要达到的目标水温Tw并发送至单片机。
[0038] S103、发声模块在所述目标水温Tw设置成功后发声提示。
[0039] S104、显示模块显示实时水温Tg和目标水温T w。
[0040] S105、单片机根据所述实时水温Tg和所述目标水温1\计算得到水温差值e = Tw-Tg 和差值变化率eC = de/dt，并比较水温差值的绝对值|e|与预设阈值e。，当|e|彡e。时，采 用Bang-Bang变结构控制方法通过温