基于自适应模糊pid的水温控制方法及其控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及水溫控制领域，具体设及一种基于自适应模糊PID的水溫控制方法及 其控制系统。
【背景技术】
[0002] 传统浴室的水溫调节一般是安装一个冷、热水调节装置，目前常见的有手动调控 和自动调控两种，手动调控是通过控制冷、热水的水阀阀口的开度来调整混合后水的溫度， 运种控制方式浪费水资源，且水溫波动很大。自动调控普遍采用溫度传感器作为测量装置， 且对测量量的偏差信号采用PID控制来实现水溫控制。目前的控制器所采用的控制策略是 在已知被控对象精确数学模型的基础上实现的。运种方法在系统稳定之后有较好的控制性 能，但在无法获取被控对象准确数学描述时具有很强的局限性，因而存在一定的不适应性， 也因此影响了水溫控制的精度及其可行性。
【发明内容】
[0003] 本申请通过提供一种基于自适应模糊PID的水溫控制方法及其控制系统，采用模 糊控制与PID算法中的PI算法相结合构成的模糊PID控制器对水溫进行实时监测和调整，W 解决目前手动调节或者自动调节热水器水溫，不仅会造成水资源的浪费，且控制精度不高， 使得实际水溫与预期水溫值误差较大的技术问题。
[0004] 为解决上述技术问题，本申请采用W下技术方案予W实现：
[0005] -种基于自适应模糊PID的水溫控制方法，采用模糊控制与PID算法中的PI算法相 结合构成的模糊PID控制器对水溫进行实时监测和调整，具体包括如下步骤：
[0006] S1:获取预设水溫To,获取第一溫度传感器检测的冷水溫度Τι，获取第二溫度传感 器检测的热水溫度Τ2,获取第Ξ溫度传感器检测的混合后溫水的出水溫度Τ3;
[0007] S2:计算误差Ε = Τ3-Τ0，误差变化率Ec =祀/化；
[000引S3:由模糊PID控制器的模糊算法整定PID参数中的比例参数Κρ和积分参数Ki; [0009] S4:计算Κρ' =Κρ*(Τ2-Τι)，Ki' =Ki*(T2-Ti);
[0010] S5:将KpM乍为新的比例参数，KiM乍为新的积分参数，计算出比例输出Up=V巧， 积分输出Ui = Ui+K/ *化-Ep)，式中，Ep为前一次的误差；
[0011] S6:计算输出抓T = Up+Ui;
[001 ^ S7:判断OUT是否小于0,如果是，贝懐示需要升溫，进入步骤S8,否则，贝懐示不需 要升溫，进入步骤S9:
[OOK] S8:设定冷水流速Vi = 0.3,热水流速V2 = 0.3+|0UT| ;
[0014] 89:设定热水流速￥2 = 0.7，冷水流速￥1 = 0.7-|01]1'|;
[001引 S10:根据冷水流速Vi和热水流速V2调整第一电磁阀的PWM占空比和第二电磁阀的 PWM占空比，来调整冷水和热水的流速，从而将水溫调整到预设水溫To。
[0016]进一步地，步骤S3中模糊PID控制器的输入变量为误差E和误差变化率Ec，输出变 量为比例参数Κρ和积分参数Ki，输入变量和输出变量均采用高斯型隶属度函数，模糊论域为 [-6，6 ]，采用重屯、法进行解模糊化运算。
[0017] -种基于自适应模糊PID的水溫控制方法的控制系统，包括微处理器、设置在冷水 箱出水管的第一溫度传感器、第一电磁阀和第一水流传感器、设置在热水箱出水管的第二 溫度传感器、第二电磁阀和第二水流传感器，设置在混合水箱中的第Ξ溫度传感器，其中， 第一溫度传感器、第二溫度传感器、第Ξ溫度传感器、第一流速传感器W及第二流速传感器 连接所述微处理器的输入端，所述微处理器的输出端连接第一电磁阀驱动电路来调整第一 电磁阀的PWM占空比，所述微处理器的输出端连接第二电磁阀驱动电路来调整第二电磁阀 的PWM占空比，从而实现对冷水和热水流速的控制；
[0018] 所述微处理器采用STC12C5A60S2忍片，所述第一溫度传感器和第二溫度传感器均 采用DS18B20数字溫度传感器，所述第Ξ溫度传感器采用PT100销电阻，该控制系统有24V和 5V两种电压源。
[0019] 进一步地，该第一电磁阀驱动电路包括PM0S管和光禪忍片P521，其中，PM0S管的栅 极一方面通过电阻R44连接光禪忍片P521的4引脚，另一方面通过电阻R42连接PM0S管的源 极，PM0S管的漏极通过电容C13接地，光禪忍片P521的3引脚接地，1引脚通过电阻R43连接5V 电源，2引脚连接STC12C5A60S2忍片的CP2引脚，24V电源一方面连接PM0S管的源极，另一方 面通过并联的电容C12和C14接地，第二电磁阀驱动电路与第一电磁阀驱动电路的电路结构 相同。
[0020] 进一步地，PT100溫度采集电路包括双运算放大器LM358和稳压源化431，其中， PT100的1引脚一方面通过串联的电阻R4和R1接5V电源，另一方面通过电阻R11接双运算放 大器LM358的3引脚，PT100的2引脚接地，双运算放大器LM358的4引脚接地，电阻R9的一端连 接可调电阻R18的一端，可调电阻R18的另一端接地，电阻R9的另一端一方面连接双运算放 大器LM358的巧侧，另一方面通过电阻R5连接双运算放大器LM358的1引脚，电阻R16的一端 接地，另一端连接双运算放大器LM358的3引脚，双运算放大器LM358的5引脚连接电阻R14的 一端，电阻R14的另一端一方面连接STC12C5A60S2忍片的AMI引脚，另一方面通过电阻R19接 地，双运算放大器LM358的6引脚通过串联电阻R12和R7连接双运算放大器LM358的7引脚，双 运算放大器LM358的8引脚接5V电源，稳压源化431的阴极和参考极通过电阻R1连接5V电源， 稳压源化431的阳极接地。
[0021] 进一步地，所述微处理器的输入端还连接有设置按钮，所述微处理器的输出端还 连接有显示屏。
[0022] 与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是:基于自适应 模糊PID的水溫控制方法及其控制系统，调溫反应快速且精确度高。
【附图说明】
[0023] 图1为水溫控制方法流程图；
[0024] 图2为模糊PID控制器的结构模型；
[0025] 图3为模糊控制输入输出关系图；
[0026] 图4为水溫控制系统结构框图；
[0027] 图5为电磁阀驱动电路图；
[0028] 图6为DS18B20溫度采集电路图；
[0029] 图7为PT100溫度采集电路图；
[0030] 图8为仿真结果对比图。
【具体实施方式】
[0031] 本申请实施例通过提供一种基于自适应模糊PID的水溫控制方法及其控制系统， 采用模糊控制与PID算法中的PI算法相结合构成的模糊PID控制器对水溫进行实时监测和 调整，W解决目前手动调节或者自动调节热水器水溫，不仅会造成水资源的浪费，且控制精 度不高，使得实际水溫与预期水溫值误差较大的技术问题。为了更好的理解上述技术方案， 下面将结合说明书附图W及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。
[00创实施例
[0033] -种基于自适应模糊PID的水溫控制方法，采用模糊控制与PID算法中的PI算法相 结合构成的模糊PID控制器对水溫进行实时监测和调整。PID算法是一种应用非常广泛的控 制方法，对于一个线性系统，PID参数可W通过指定闭环极点的方法获得。在本发明中，由于 使用的是机械式电磁阀，难W保证电磁阀开关的精确度，那么PID的微分环节会受到精确度 低的影响而干扰系统的稳定性，因而本发明的水溫控制方法舍弃微分环节，使用PI算法控 制水溫。
[0034] 如图1所示，具体包括如下步骤：
[0035] S1:获取预设水溫To,获取第一溫度传感器检测的冷水溫度Τι，获取第二溫度传感 器检测的热水溫度Τ2,获取第Ξ溫度传感器检测的混合后溫水的出水溫度Τ3;
[0036] S2:计算误差Ε = Τ3-Τ0，误差变化率Ec =祀/化；
[0037] S3:由模糊PID控制器的模糊算法整定PID参数中的比例参数Κρ和积分参数Ki;
[003引 S4:计算Κρ' =Κρ*(Τ2-Τι)，Ki' =Ki*(T2-Ti);
[0039] S5:将KpM乍为新的比例参数，KiM乍为新的积分参数，计算出比例输出Up = V巧， 积分输出Ui = Ui+K/ *化-Ep)，式中，Ep为前一次的误差；
[0040] S6:计算输出 0UT = Up+Ui;
[0041] S7:判断OUT是否小于0,如果是，则表示需要升溫，进入步骤S8,否则，则表示不需 要升溫，进入步骤S9:
[0042] 88:设定冷水流速￥1 = 0.3，热水流速￥2 = 0.3+|01]1'|;
[00创 89:设定热水流速￥2 = 0.7，冷水流速￥1 = 0.7-|0叫；
[0044] S10:根据冷水流速Vi和热水流速V2调整第一电磁阀的PWM占空比和第二电磁阀的 PWM占空比，来调整冷水和热水的流速，从而将水溫调整到预设水溫To。
[0045] 模糊PID控制器的结构模型如图2所示，模糊控制的输入变量为误差E和误差变化 率Ec，输出变量为比例参数Κρ和积分参数Ki，如图3所示。各变量的模糊子集都是NB负方向大 的偏差，Ml负方向中的偏差，NS负方向小的偏差，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，模糊论域为[-6,6]，输入输出变量均采用高斯型隶属度 函数，采用重屯、法进行解模糊化运算，模糊控制规则如表1所示。
[0046] 表1模糊控制规则
[0047]
[0048] 一种基于自适应模糊PID的水溫控制方法的控制系统，如图4所示，包括微处理器、 设置在冷水箱出水管的第一溫度传感器、第一电磁阀和第一水流传感器、设置在热水箱出 水管的第二溫度传感器、第二电磁阀和第二水流传