郭新，張偉，陳言行，申洪凱，王家樂

（河南科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

0 引 言

由集中供熱是現(xiàn)代化城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，不僅能給城市提供穩(wěn)定可靠的高品位熱源，改善人居環(huán)境條件，而且能夠節(jié)約能源，減少城市污染，保護生態(tài)環(huán)境。我國北方地區(qū)的大部分家庭采用水地暖方式，室內(nèi)溫度不合適（即室內(nèi)熱能過量或不足）時用戶只能通過開窗散熱或者是增加供暖設(shè)備來調(diào)節(jié)，不但給居民的生活帶來諸多不便，而且還會造成熱力資源的浪費。目前對于室內(nèi)地暖的溫度控制已經(jīng)有了較為簡易的控制方式，通過溫控器和電熱執(zhí)行器的配套使用達(dá)成靈活控制室內(nèi)溫度的目的，但由于溫度變化具有熱慣性，溫度控制具有滯后性，同時室內(nèi)設(shè)定值和當(dāng)前值進(jìn)行對比調(diào)控的方式過于簡單，精確度不高，智能效果并不明顯。

文章基于室內(nèi)外溫度補償原理，對室內(nèi)需求熱量和當(dāng)前地暖熱量進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了地暖溫度自校正PID 控制器。通過PID 的增量算法，計算出當(dāng)前分水器水閥產(chǎn)生的熱量到達(dá)預(yù)設(shè)溫度熱量所需增加的開度值，并不斷反饋調(diào)節(jié)使室溫不斷逼近并維持預(yù)設(shè)溫度。所設(shè)計的系統(tǒng)極大地提高了室內(nèi)溫度調(diào)控的速度和精準(zhǔn)度，為用戶生活提供更為便利的條件，同時起到了清潔環(huán)保的效果。

1 熱量需求分析

數(shù)據(jù)處理在主機芯片中進(jìn)行，主控芯片首先對從傳感器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再結(jié)合室外溫度進(jìn)行補償運算得到室內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值所需的熱量值，并通過熱量和溫度之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制。

對于室內(nèi)外溫度補償?shù)臒徇\算，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，供熱量、熱負(fù)荷、散熱量滿足平衡條件，可表示為：

其中，為供熱量，為熱負(fù)荷，為散熱量。

系統(tǒng)供熱量受供水溫度、回水溫度、循環(huán)水流量和比熱容影響，存在以下關(guān)系：

系統(tǒng)的熱負(fù)荷受建筑采暖體積熱指標(biāo)、房間用暖體積、當(dāng)前室外溫度和室內(nèi)預(yù)設(shè)溫度影響，存在以下關(guān)系：

其中，' 為調(diào)節(jié)后的熱負(fù)荷，'為建筑采暖體積熱指標(biāo)（供暖體積熱指標(biāo)即室內(nèi)外溫度差為1 ℃時，每立方米建筑物外圍體積的供暖熱負(fù)荷），熱指標(biāo)參數(shù) '取值如表1所示，為房間用暖體積，t為室內(nèi)預(yù)設(shè)溫度，t為室外溫度。

表1 民用建筑體積熱指標(biāo)

系統(tǒng)散熱量受散熱器傳熱系數(shù)、散熱面積、水地暖水流平均溫度的影響，存在以下關(guān)系：

其中，'為調(diào)節(jié)后的散熱量，'為散熱器傳熱系數(shù)（地暖傳熱系數(shù)一般為0.035 W/（m·K）左右），為散熱面積，t為水地暖水流平均溫度。

相對采暖熱負(fù)荷比為室外溫度變化前后供熱量、熱負(fù)荷、散熱量之間的比值，可由以下關(guān)系式表示：

對于室內(nèi)溫度控制一般可采用質(zhì)調(diào)節(jié)、量調(diào)節(jié)或質(zhì)量調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式，但由于集中供暖用戶采暖的局限，熱用戶在二次網(wǎng)集中供水的基礎(chǔ)上只能進(jìn)行量調(diào)節(jié)。對于集中供暖量調(diào)節(jié)有調(diào)節(jié)公式：

根據(jù)熱平衡方程，有調(diào)節(jié)公式：

可得調(diào)節(jié)后循環(huán)水流量：

此時所得的即為系統(tǒng)調(diào)節(jié)產(chǎn)生需求熱量的循環(huán)水流量值。

2 分水器水閥控制脈沖分析

在實際控制中，需要通過流量、水閥開度等參數(shù)，估算出控制電機的脈沖個數(shù)。管道流量為流速和管道橫截面積的乘積，即：

其中，為循環(huán)水流量，為橫截面積，為流速。

而管道流速受管道壓力、管道長度的影響，存在以下關(guān)系：

由式（9）（10）可得流水橫截面積之間流量的關(guān)系表達(dá)式：

水閥開度和流水橫截面積關(guān)系可表示為：

其中，為水閥開度值，為地暖管道切面半徑。

由式（11）（12）可以得到水閥開度和流量之間的關(guān)系：

分水器水閥開度需通過PWM 脈沖輸出控制，查閱產(chǎn)品手冊可知，TB6600 有8 檔細(xì)分控制（1、2、4、8、16、32），撥碼開關(guān)所選細(xì)分擋數(shù)越高，水閥由開到關(guān)所需的脈沖個數(shù)越多，控制精度也越高。選擇TB6600 最高檔32 細(xì)分，6 400 個脈沖使電機旋轉(zhuǎn)一圈，一個脈沖可控制水閥旋轉(zhuǎn)0.056 25°角。

此時要達(dá)到室內(nèi)預(yù)設(shè)溫度條件下的水閥開度，需要脈沖個數(shù)為：

其中，P為控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)所需的脈沖個數(shù)，當(dāng)P值為正數(shù)時電機正轉(zhuǎn)，當(dāng)P值為負(fù)數(shù)時電機反轉(zhuǎn)，且單片機控制引腳輸出相應(yīng)的PWM 脈沖個數(shù)。

3 開度控制增量式PID 模型

用戶輸入房間面積信息后，系統(tǒng)將自動計算到達(dá)預(yù)設(shè)溫度值所需的熱量并將信息反饋給主機進(jìn)行水流量的調(diào)控。系統(tǒng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行算法分析，可以得到室內(nèi)溫度上限和下限值，當(dāng)用戶預(yù)設(shè)室內(nèi)溫度值超出上限和下限時客戶端將進(jìn)行報錯警告。

溫度控制系統(tǒng)通過用戶輸入的室內(nèi)預(yù)設(shè)溫度計算出需調(diào)控的水流量，從而通過控制分水器閥門開度進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，控制室內(nèi)溫度。室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

執(zhí)行機構(gòu)通過控制水閥開度控制室內(nèi)溫度，本文采用增量式PID 算法控制PWM 輸出，從而控制水閥開度。PID 控制器給定值與實際輸出值之間構(gòu)成控制偏差：

其中，()為水閥開度控制偏差量，()為達(dá)到室內(nèi)預(yù)設(shè)溫度需要的水閥開度值，()為當(dāng)前水閥開度值。

標(biāo)準(zhǔn)PID 計算公式：

上一次計算公式：

式（12）和式（11）作差得到增量式PID 計算公式：

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用STM32 單片機對室內(nèi)外溫度、供回水溫度、管道水流量、管道壓力等信息進(jìn)行采集，根據(jù)室內(nèi)預(yù)設(shè)溫度和房間面積等信息，結(jié)合PID 控制算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析室內(nèi)需求熱量推算當(dāng)前水閥的開度值，通過控制分水器水閥開度調(diào)整管道水流量以達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 單片機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電路的主控芯片STM32F103RRBT6 是ST 意法半導(dǎo)體公司32 位微處理器，含有TIM 定時器和A/D 轉(zhuǎn)換通道。多傳感器連接I/O 口，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)有規(guī)律采集，通過芯片內(nèi)部的算法運算實現(xiàn)PWM 波調(diào)控。

供回水溫度采集模塊采用防水型DS18B20，室內(nèi)外溫度采集模塊采用普通型DS18B20，兩種模塊的工作電壓一致，均可直接連接STM32 輸出電源3.3 V 實現(xiàn)驅(qū)動，DQ 信號線連接單片機ADC1 通道IO 口實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的傳輸。地暖管道水流量數(shù)據(jù)采集使用熱水器水流量傳感器DN15（4 分管霍爾流量計），傳感器信號輸出引腳OUT 連接主機PA5 引腳實現(xiàn)水流量數(shù)據(jù)采集，水流量檢測模塊驅(qū)動電源為DC 5V，降壓電路采用AC220V-DC24V 和B1205S-2W 降壓模塊，實現(xiàn)5 V 直流電輸出驅(qū)動流量檢測模塊。水壓數(shù)據(jù)采集使用兩線制擴散硅芯體壓力變送器，變送器信號輸出引腳OUT 連接主機PA6 引腳實現(xiàn)管道水壓數(shù)據(jù)采集，模塊驅(qū)動電壓為DC 24 V，使用降壓電路的第一階段24 V 直流電作為驅(qū)動電源。

分水器水閥采用DC 24 V 馬達(dá)式電動流量比例閥。馬達(dá)式電動流量比例閥由角行程球閥執(zhí)行器和二通球閥組成。角行程球閥執(zhí)行器本質(zhì)上是步進(jìn)馬達(dá)搭配驅(qū)動器，通過控制二通球閥實現(xiàn)水閥開度精確控制。TB6600 為步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動器，其中ENA 為驅(qū)動器使能端，低電平可啟動驅(qū)動器，高電平為脫機狀態(tài)；DIR 為電機正反轉(zhuǎn)控制端，DIR+為高電位時電機正轉(zhuǎn)，實現(xiàn)開閥動作，DIR+為低電平時電機反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)關(guān)閥動作；PUL 端控制脈沖信號，接收STM32 單片機PB13 引腳傳遞的PWM 波脈沖信號，調(diào)節(jié)水閥開度，實現(xiàn)流量控制。單片機系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

圖3 單片機系統(tǒng)硬件電路圖

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包含數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)分析處理和電機控制程序設(shè)計等。程序設(shè)計過程采用C 語言進(jìn)行描述，采用kile5 軟件進(jìn)行程序書寫，使用STM32 標(biāo)準(zhǔn)庫開發(fā)，使程序具有結(jié)構(gòu)清晰、易于編寫、容易理解等特點。下文將對程序設(shè)計流程進(jìn)行分析。

系統(tǒng)程序完成初始化設(shè)置，防止芯片中其他信號的干擾，并等待用戶通過串口上傳房間面積和預(yù)設(shè)溫度信息。系統(tǒng)檢測到房間面積信息后打開ADC 采樣通道，配置IO 口接收傳感器采集的數(shù)據(jù)信息。程序判斷用戶是否上傳預(yù)設(shè)溫度信息，若檢測不到該信息系統(tǒng)則保持傳感器信息收集步驟，直到檢測到預(yù)設(shè)溫度信息才開始進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，通過算法模型得到需調(diào)節(jié)的PWM 脈沖個數(shù)，實現(xiàn)水閥開度調(diào)節(jié)（系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示）。

圖4 主程序流程圖

電機控制程序需要配置PWM 通道，系統(tǒng)讀取IO 口，程序掃描到預(yù)設(shè)溫度便進(jìn)入中斷，開始執(zhí)行算法處理程序（進(jìn)行數(shù)據(jù)計算），通過算法得到控制所需的PWM 脈沖個數(shù)，系統(tǒng)開啟TIM 時鐘，配置PWM 波輸出通道，輸出預(yù)期脈沖個數(shù)實現(xiàn)對負(fù)載的控制，此時將房間溫度與預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比較，達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時返回主程序，沒有達(dá)到預(yù)設(shè)溫度值時系統(tǒng)回退到算法步驟重新計算PWM 脈沖個數(shù)，直至房間達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，PID 調(diào)節(jié)子程序流程圖如圖5所示。

圖5 PID 調(diào)節(jié)子程序流程圖

6 系統(tǒng)仿真

室內(nèi)當(dāng)前溫度等數(shù)據(jù)由傳感器測量，而室外溫度、供回水溫度、地暖水流量、水壓等信息與室內(nèi)溫度存在一定的關(guān)系。假設(shè)在1 000 s 測量時間內(nèi)，室外溫度在0 ℃左右波動，室內(nèi)初始溫度在5 ℃左右波動，室內(nèi)預(yù)設(shè)溫度為15 ℃，地暖二次網(wǎng)供水溫度在40℃左右波動，回水溫度在30 ℃左右波動，水壓在0.5 MPa 左右波動，房間面積為34 m?？紤]溫度實際傳熱速率，在不使用PID 控制的情況下室內(nèi)溫度變化曲線如圖7所示。

圖6 PID 控制響應(yīng)曲線圖

圖7 室內(nèi)溫度變化曲線圖

圖8 PID 控制下室內(nèi)溫度變化曲線圖

7 結(jié) 論

由于我國北方地區(qū)采用集中供暖，又以地暖居多，而空氣熱傳導(dǎo)效率較低，很難對溫度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，造成熱量流失較多。本文首先對室內(nèi)環(huán)境所需熱量進(jìn)行了需求分析，通過單片機采集供回水溫度、水流量、水壓、室內(nèi)外溫度和房間面積等信息，利用溫度自校正PID 控制算法自適應(yīng)控制閥門開度，從而達(dá)到節(jié)能和提供適宜溫度的效果。