分级控制算法在电热水器温度控制中的应用研究

【摘要】电热水器是目前家庭中常用的电器设备，为居民洗浴及其他生活用热水提供了方便。然而常规的控制算法存在控制性能欠佳的问题，使水温稳定性较差。针对这一情况，本文结合传统分级控制响应时间快，超调小以及PID控制控制精度高的特点，提出了一种新型的控制算法，并应用在电热水器温度控制系统中，结果表明具有较好的控制精度和动态响应。

【关键词】温度控制；电热水器；分级控制

电热水器是居民日常生活中常见的电器设备，具有加热效率高、体积小、无污染、噪声小、运行安全可靠、自动化程度高等优点。目前许多企业的电热水器都采用断续控制，加热存在着不连续性。因此，这种方法对水温控制存在控制精度不高，控制水平不高，算法粗糙，控制效果不佳等特点，并且不能判断温度上升或下降，使控制算法滞后于温度的变化。另外，温度控制一阶纯滞后的大惯性环节，如果采用连续控制的方式，则无法解决控制精度与动态性能之间的矛盾，会引起较大的振荡。本文在分析多断续控制和PID连续控制的基础上，根据其各自的优缺点，提出了一种新型的分级控制算法，并将其应用在电热水器温度控制中。

1.系统设计原理

2.锅炉温度控制系统的硬件设计

(1)单片机。采用AT89C51单片机，它是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，其性能完全满足系统设计需要且比较经济。

(2)温度传感器。采用美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS1820含有唯一的硅串行数所以在一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息，仅需要一根口线(单线接口)。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。

(3)可控硅。用一条I/O线与可控硅的控制端相连接，并通过程序输出导通脉冲的宽度和导通时间。采用光耦元件TLP521在控制部分进行光电隔离，此外采用变压器隔离实现弱强电的电源隔离。

(4)继电器。可以采用松乐SRC-12VDC-SL-C继电器作为电加热丝的控制开关。由于单片机的输出电压不能直接驱动继电器，因此必须在单片机与继电器之间设置一个驱动电路，来控制继电器的动作。论文采用ULN2803实现信号的放大及驱动。ULN2803由8组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管构成，具有同时驱动8组负载的能力，它具有电流增益高、带负载能力强、温度范围宽及工作电压高等特点，适合驱动继电器、显示器等大功率器件。

3.锅炉温度控制系统的实现

3.1 主程序流程图

由硬件电路图可知，电热丝组可分为5组，其中，第1，2，3，4号大功率电热丝由继电器控制，只控制其开关，用于实现断续控制。第5号小功率电热丝通过可控硅进行连续控制。锅炉温度控制由两个阶段组成，多级加热阶段和PID连续控制阶段。设锅炉的给定值为100，将检测值与设定值比较，当差值大于10进入多级加热阶段，当差值小于等于10进入PID连续控制阶段。其流程图如图3所示。

3.2 分级控制

4.实验结果以及与常规PID算法的比较

本文将分级控制算法应用在锅炉的温度控制系统中，设计目标是在同样的控制精度条件下，使系统的过渡时间尽可能短，改善控制效果。采用这种控制算法，既解决了而控制精度与动态响应之间的矛盾，又具有PID控制精度高的特点、使系统能有效抑制纯滞后的影响，而且鲁棒性强，当参数变化较大及有干扰时，仍能取得较好的控制效果。

5.结论

本文运用分级控制与PID控制相结合的方法对电热水器的温度进行控制。该控制算法可以解决控制精度与动态响应之间的矛盾，防止反方向调节和温度振荡的发生，同时，使用PID控制，提高控制精度。当控制偏差较大时采用多级控制，以加快响应速度，并防止振荡；当控制偏差较小进入稳态过程时，由程序切换到PID控制，提高控制精度。实验结果表明，分级控制与PID复合控制的结果，其过程时间、最大超调量均优于PID控制算法和传统的断续控制。总之，这种多级控制与PID控制相结合的控制方法在过程控制领域将具有较好的应用前景。

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