基于IC卡的数码热泵供水系统硕士学位论文

1、第一章 绪 论当今社会，环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事，如何解决这一问题，已成为全人类的课题。在这种背景下，以环保和节能为主要特征的绿色建筑及相应的系统应运而生，而热泵系统正是满足这些要求的新兴系统之一。热泵供水系统不仅可以通过低品位可再生能源的应用达到节能的目的，还具有使用寿命长，加热速度快，运行稳定和易于操作等优点。特别是其热效率超过300%，在目前世界能源普遍缺乏的情况下，将是未来热水系统的主要产品。热泵供水系统可以广泛应用在电厂建设、石油化工、冶金、机械制造、轻纺、食品加工、宾馆、学校、温泉等场所，市场前景广阔1。1.1 课题的背景及现状分析1.1.1 热泵技术简介热泵

2、是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。顾名思义，热泵也就是像泵那样，可以把不能直接利用的低位热源(如空气、土壤、水中所含的热能，太阳能 工业废热等)转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能(如煤、燃气、油、电等)的目的。热泵的定义涵盖了以下几点:1.热泵虽然需要消耗一定量的高位能 但所供给用户的热量却是消耗的高位热能与吸取的低位热能的总和，因此，热泵是一种节能装置。2.热泵可由动力机和工作机组成热泵机组，利用高位能来推动动力机，然后再由动力机来驱动工作机运转，把低位的热能输送至高品位，向用户供热。3.热泵既遵循热力学第一定律，又遵循着热力学第二定律。在热泵定义中明确指

3、出，热泵是靠高位能拖动、迫使热量由低温物体传递给高温物体。 图1-1 热泵原理图fig 1-1 the principle of heat pump 热泵的理论基础起源于 1924年卡诺发表的关于卡诺循环的论文。1852年汤姆逊发表的一篇论文中提出了热泵的设想，亦称为热量放大器。最早的大容量热泵应用是在美国南加利福尼亚爱迪生公司的落杉矶办事处，在19301931年间，它将制冷设备用于供热，供热量达1050kw。欧洲第一台较大的热泵装置，同时也是水源热泵是19381939年间在苏黎世投入运行的。它以河水作为低位热源，供热出力 175kw。热泵经历了一些反复之后，到1973年世界范围内的能源危机，

4、又一次推动了热泵的高速发展2。1.1.2 热泵热水器的介绍热泵热水器的工作原理可以分为两个工作循环，即制冷剂循环回路和水循环回路，其工作流程如图1-1所示。在制冷剂的循环回路中，压缩机吸入温度较高的低压制冷剂蒸汽，将其压缩成为高温高压的气体，再将这些高温高压气体送入冷凝器中去进行热量交换。水循环回路中，冷水在水泵的作用下，进入到冷凝器，在冷凝器中与高温高压气体进行热交换，制成热水。同时，冷凝器中的高温高压气体变成了低温低压的气体或液体，送入储液罐。制冷剂从储液罐中输出后，经过滤器、膨胀阀，进入蒸发器从空气中吸热而蒸发。然后，制冷剂蒸汽再次被压缩机吸入，开始下一个循环。通过这样反复的循环工作，从

5、而达到对水箱中的水加热的目的。图1-2 空气源热泵热水器原理图fig 1-2 the principle of air-source heat pump water heater它本身消耗一部分电能，即压缩机耗电；同时通过工质循环系统在水冷板式换热器(即冷凝器)中进行放热，根据能量守恒定律有： （1-1）即热泵输出的能量为压缩机做的功和热泵从环境中吸收的热量之和；通常为的3倍以上，即能源利用效率达300以上，而通常的电热水器能源利用效率仅为95左右。由此可以看出，热泵供水系统是一个高效而且节能解决方案。1.2 热泵系统的发展与意义1.2.1 国内外发展状况热泵技术和应用是近年节能减排先进推广项

6、目，国外应用相对成九，美国、欧洲国家应用相对广泛，整机设备先进、控制技术稳定，人机接口良好，调试方便，运行可靠，但缺点就是功能单一而且价格昂贵，不适于大量推广。国内热泵应用正处于起步阶段，研究相对较晚，市场有很大的发展空间。近两年市场和研究推广正在加大，热泵机组（主要是商用机）产品陆续上市推广，但设备控制技术和系统，鲜有报道和成熟产品，综合电子技术、机电技术、数学模型分析控制的技术设备亦处于相对空白4。1.2.2 课题研究的意义热泵技术由来已久，但是作为一种新兴能源型产业，热泵进入中国市场只有三四年，发展到现在，市场一直是不温不火，在全国范围内也没有大面积的推广，但随着近几年能源趋紧，尤其是电

7、力短缺，给热泵市场注入新的活力，并在华南、中南等地区形成了热泵经济带。热泵市场悄然升温。据业内人士分析，未来几年，福建的三明、泉州、厦门市场表现较好，福州潜力巨大；广东将成为热泵市场主要争夺地；湖南、江西等市场最具潜力。1.3 课题研究的意义和主要内容设计一套适合热泵供水系统使用的智能控制系统。能适应各种热泵供水工程的应用。并要考虑经济性、可靠性、灵活性、可应用扩展等方面的需求。方便快捷的使用热泵供水系统。基本功能如下：1定时控制功能，包括定时供水和定时补水及定时加热等功能。2水位控制，包括水位的补水、加热及供水的水位控制。3温度控制功能，包括加热及供水、回水的温度控制。4加热柜的过程控制。5

8、扩展应用，包括太阳能强制循环控制、多水箱独立加热控制、多水箱联动加热控制、电辅热控制、多路供水及回多路回水控制等及未来可能会遇到的一些应用拓展。6各种控制参数设置保存显示，各种运行参数显示，一些重要的历史数据的保存。7远程控制功能，能以rs-485实现短距离的远程控制(lkm以内），或者采用gprs方式实现超远距离的远程控制（国内gprs可到达的地方）。1.4 小结本章阐述了热泵供水系统的研究背景及发展现状，在考虑了热水系统发展趋势的基础上，讨论了本次设计的实际意义，并对本次设计的基本内容进行了说明。第二章 热泵热水系统分析热泵热水系统除了满足一般热水系统的合理要求外，还应具有经济、环保、美观

9、、实用等优点，并实现热能利用与建筑的有机结合。因此，热泵热水系统的科学设计和合理配置对实现以上功能和特点起着至关重要的作用。热泵热水系统通常主要由热泵机组、主控制器、水箱、加热控制器设备等部分组成。其结构示意图如图2-1所示。图2-1 热泵热水系统示意图fig 2-1 heat pump system schematic diagram2.1 热泵系统方案的选择主流的热泵供水系统有直热和循环加热两种方式。循环加热方式的优点是结构简单，在循环加热的时候，通过热泵的水量较大，与热泵之间的换热效果较好，效率高于直热方式。但是当水箱的水量不能很好的控制的时候，如果经常出现只用很少的水，而水箱中总是剩余

10、很多的水量的时候，总的运行效率反而不如直热式了。这是因为此时，热泵机组总是工作是高温区，热泵的效率大大降低了。直热方式的优点是，补入水箱的水是热水，因此，能在任何时候补水，包括供水期间。因而在一些需要在一天内多次供水的地方，直热方式能很好的解决补水以加热的矛盾，能充分的利用时间进行加热和供水。而在一些只在特定时间供水，但供水时间比较长的地方，直热方式也能利用供水的这段时间产热水，因为水箱的水量且一旦减少，就立刻可以补入热水，直热方式的日产水量甚至可以超过主水箱的容量。但是，直热方式的缺点和它的优点一样突出。首先，直热方式一次性将经过热泵的冷水直接加热到设定的温度，它的流量就不能设计得很大。流体

11、的换热效率是与流量正相关的关系的，所以它与水的热交换效率要低于循环加热方式。其次，热泵高压端压力与出水温度成正相关关系，压缩机的负载也于高端压力成正相关关系，而直热方式的出水温度一直都在用户的加热数值，也就是实际工作的最高温度，热泵一直工作在最高的工作压力下，压缩机及相应的管件都始终工作在最大的分负载下，对热泵的寿命有不利的影响。再次，热泵一直工作在最高的工作压力，一旦冷水有短时的供应不正常，比如压力突然变小，可能照成高压保护故障。考虑了直热方式和循环方式的优缺点后，在热泵机组产热水的实施方式的问题上，采用了一种称之为加热柜间接直热新型的控制方式。这种方式与循环式加热相仿，但不是对主水箱进行加

12、热，而是对一个辅助的小水箱进行加热，再把加热好的水补入主水箱中。既能有效的克服传统循环方式冷热水混合造成的实际效率下滑，又能避免了直热方式由于流过热泵机组的流量过低，造成热泵机组的制热效率降低3。图2-2 热泵热水方案示意图fig 2-2 heat pump system design proposal2.2 不同水箱设置方式的节能特性 储水和加热水箱设置方式，见图2-3a。在储水和加热配合方式中，泵1的作用是将储水箱中的热水供应到用户端，回水回到加热水箱。与自来水补水一起经热泵进行加热。泵2的作用是将加热水箱中温度达到55的热水抽到储热水箱中等待用户使用。泵3的作用是将加热水箱的水，抽取经过

13、热泵进行加热。具体运行模式同传统水箱配合方式。图2-3a 储水和加热水箱设置方式fig 2-3a the place of storage and heating tank改进后方式，见图2-3b。在改进后的方式中，泵3后加一个温度控制阀。当加热水箱里的水温度低于50时，温控阀呈打开状，经过热泵机组加热的水会到加热水箱，继续加热。当加热水箱的水温度达到50时，温控阀关闭，热水经过热泵机组加热后，流入储水箱，而不是流回加热水箱继续进行加热。根据平时的测试，水经过一个循环过程温度能提高57。当图2-3b中加热水箱中的水到了55时，泵1开启。在这之前，水经过泵3进行循环，当水回到加热水箱的时候，温度

14、要达到60，耗费了不必要的能量。同时，在改进系统中没有泵2，省掉了这部分电能的使用。改进后的系统能进一步达到节约能源的目的。图2-3b 改进的储水和加热水箱设置方式fig 2-3b the advance of storage and heating tank2.3 热泵热水系统的结构设计图2-4 热泵热水系统结构图fig 2-4 heat pump system chart其中：设定水位：用户通过主控制器设定的最高水位，可以根据实际使用情况进行调整，到达设定水位后关闭补水阀。供水水位下限：当水位到达供水水位下限时，打开补水阀，进行补水。水位下限：当到达水位下限时关闭出水阀，打开补水阀，进行补

15、水。热泵热水系统的结构设计按运行方式的不同有两种形式：加热柜加热系统和循环加热系统，分述如下：加热柜加热系统：收到补水指令，加热柜先检测水位，如果水位未达上限，进入进水阶段，打开进水阀，打开循环泵同时开启泵，让冷水通过热泵机组补入加热柜中。当水位到达上限时，进入加热阶段，关闭进水阀，热泵机组和加热柜组成一个小循环加热系统。当热泵机组出水管温度到达设定出水温度，则进入出水阶段。关闭内环伐，打开出水阀，加热柜的热水在循环泵的作用下流向主水箱。当加热柜的水位到达下限时，进入进水阶段，关闭出水阀，打开进水阀，周而复始，直到收到主控制器停止补水的命令。循环加热系统：收到循环加热指令，加热柜进入补水阶段，

16、像补水加热一样，如果加热柜水位未达上限，则进入进水阶段，然后进过出水阶段又回到进水阶段。在进水阶段，打开大环阀，内环阀，大水箱的水经过大环阀进入加热柜。经过一定的延时后，加热柜有了一定的水量，关闭内环伐，然后打开出水阀，热泵与主水箱之间形成了一个大循环回路。为了避免加热柜内的水杯抽干，在水位低于下限时，会打开内环，经过一个延时后，又回到刚才的大循环状态。2.4 控制器设计2.4.1热泵热水系统主控制器的主要功能热泵热水系统主控制器基本功能如下4：1定时控制功能，包括定时供水和定时补水及定时加热等功能。2水位控制，包括水位的补水、加热及供水的水位控制。3温度控制功能，包括加热及供水、回水的温度控

17、制。4加热柜的过程控制。5扩展应用，可包括太阳能强制循环控制、多水箱独立加热控制、多水箱联动加热控制、电辅热控制、多路供水及回多路回水控制及未来可能会遇到的一些应用拓展。6各种控制参数设置保存显示，各种运行参数显示，一些重要的历史数据的保存。热泵热水系统工程主控制器由温度、水位传感器；单片机控制部分；显示器件；执行机构（电子继电器、电磁阀等）；热泵机组等部分组成。温度、水位传感器由敏感元件、转换元件、测量电路、辅助电源等部分组成，用于实时检测温度、水位，并将其检测值转换成0+5v电信号。单片机控制部分主要作用是采集信号、进行数据处理、根据数据处理的结果，发出操作命令、出现故障时，发出声光告警并

18、采取保护措施。显示器件将单片机采集到的测量数据，经处理后，在显示屏上显示出来。电磁阀、继电器等执行机构接受单片机发来的命令执行动作。2.4.2热泵热水系统工程控制器方案的选择目前大部分温度控制器还是采用pid控制算法，这种算法对固定参数的线性定常系统是非常有效的。通过调整pid控制器的参数，一般都能得到比较满意的控制效果，但是对不同的温度控制对象，没有确定的数学模型，需要重新建立被控对象的数学模型，要重新整定pid参数，对于难以确定数学模型的被控对象则无法采用这种控制方法。模糊控制技术是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控

19、制是一种非线性控制。从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它已成为目前最具实际意义的智能控制方法。模糊控制的核心在于它可以模仿人的思维方法，运用具有模糊性的语言条件语句作为控制规则去执行控制过程。控制规则基于对被控过程十分熟悉的专家的经验。用模糊逻辑实现控制，不需要建立系统的数学模型，只要求掌握现场操作人员或有关专家的经验、知识、操作数据，它所关心的是功能目标而不是系统的数学模型。因此，系统具有很强的鲁棒性，对系统参数变化不敏感，适用于对不同对象的控制。模糊逻辑控制器的实现有两种途径，可以用专用的模糊硬件集成电路芯片构成模糊逻辑控制器；还可以在通用计算机或单片机上采用模糊逻辑控制

20、算法用软件来实现。后一种方法成本较低，故选用此方案。由atmega16单片机电路和模糊逻辑控制软件来实现对温度的控制。2.5 小结本章主要对热泵热水系统进行分析，通过对比确定系统的方案，明确了设计的主要思想，并对主控制器的功能进行了详细的介绍。第三章 模糊控制方法研究3.1 模糊控制简介美国自动控制理论专家l.a.zadeh于1965年首先提出模糊集合的概念，而后又引入模糊逻辑，以表示并利用模糊集合不确定的知识。zadeh提出的模糊思想及向控制领域的渗透，在理论上和实践上为控制理论开辟了新的发展方向，提供了新的系统设计方法。1974年，英国的mamdani首次将模糊集和模糊语言逻辑用于控制6，

21、创立了基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器并成功地用于对蒸汽机的自动控制在这之后的20多年中，模糊控制技术得到了较快的发展，越来越受到控制领域中人们的重视。目前，国内外有许多专家、学者和工程技术人员，在对模糊控制理论研究的同时，已把模糊控制器用于生产过程控制中，并取得了可喜的成果。各种模糊家电产品充满市场，如模糊洗衣机、模糊吸尘器、模糊摄像机等等。模糊控制技术是近代控制理论中的一种高级策略和新技术。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为理论基础的一种计算机数字控制。目前在工业控制过程中投入运行的模糊控制器，主要是以模糊命题形式表示的一组控制规则，经模糊推理来决定控制量的形式。模糊

22、控制系统以模糊推理为核心，它的整个系统推理程序模仿操作人员的经验、思考、知识以及决策等。而人在思维判断中使用的知识大部分是一种经验性的。所以，从线性与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制；从控制的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴56 78。与传统pid控制相比较，模糊控制并不是在任何场合都一定有更好的控制效果，它有自己适合的控制领域。对于一些可以得到精确数学模型且结构参数时变有规律可循的被控对象，经典控制还是要比模糊控制效果好，尤其在稳态精度上更是一般的模糊控制器不能够达到的。只有在被控对象具有强非线性、控制过程中干扰因素很多或得不到被控对象模型的前提下，模糊控制会比经典控制有效

23、。模糊控制与传统的控制相比，具有以下特点：1适用于不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不很清楚或难以求得，只要求掌握操作人员或领域专家的经验或知识；2模糊控制器是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定性地表达，构成了被控对象的模糊模型；3系统鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。模糊控制是建立在模糊控制推理基础上的一种非线性控制策略。模糊控制系统和传统的控制系统有很大的区别。对于一个系统而言，模糊控制在控制系统中所表现的具体形式是模糊控制器。从系统结构角度而言，是以模糊控制器取代传统的数字控制器。模糊控制系统由模糊控制器、被控对象、检测和反馈等部件组成。模糊控制器

24、在模糊控制中起关键性作用，模糊控制属于计算机数字控制的一种形式，模糊控制系统的组成类似于一般的数字控制系统，其控制原理框图如图3-1所示：图3-1 一般模糊控制器示意图fig 3-1 fuzzy controller chart一般模糊控制器各主要环节的功能如下：（1）模糊化环节的功能。这部分的功能是将输入的精确量转换为模糊量（其中输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态等），并将输入量进行处理，使其变成模糊控制器要求的输入量，接着进行尺度变换，使其变换到各次的论域范围，并进行模糊化处理，使原先精确的输入量变成模糊量，用相应的模糊集合表示。（注意：有时把模糊化部分作为模糊控制器的外部部分）。

25、（2）知识库环节的功能。知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标，通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。这其中，数据库主要包括语言变量的隶属函数、尺度变换因子以及模糊空间的分级数等；规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则，它们反映了控制专家的经验和知识等。（3）模糊推理环节的功能。它是模糊控制器重要组成部分，具有模拟人的基于模糊概念的推理能力，其推理是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。（4）清晰化环节的功能。清晰化环节的主要功能是将模糊推理所得的控制量（模糊量）变换为实际用于控制的清晰量，包含两部分内容：其一，将模糊的控制量经清晰化处理变换为表示在论域范围的清晰量

26、；其二，将表示在论域范围的清晰量经尺度变换转换成实际的控制量。模糊控制技术是近代控制理论中的一种高级策略和新颖技术。模糊控制技术基于模糊数学理论，通过模拟人的近似推理和综合决策过程，使控制算法的可控性、适应性和合理性提高，成为智能控制技术的一个重要分支。传统的pid控制器控制系统时，其pid参数经过整定后即以同样的姿态处理系统的变化，往往导致系统响应速度慢，超调严重，过渡时间长等缺点，必须离线或在线整定pid调节器的参数，使之具有合适的数值，满足控制的要求。与pid控制算法相比,经典的模糊控制器不依赖于系统精确的数学模型、对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力，有很好的鲁棒性，模糊控制中

27、的知识表示、模糊规则和合成推理是基于专家知识或熟练操作者的成熟经验，并通过学习可不断更新，具有智能性和自学习性91 0。3.2 精确量模糊化、模糊推理及反模糊化计算机直接参与的自动控制系统，当控制对象缺乏精确数学模型或仅能提供一些模糊信息时，传统的控制方式难以奏效。而人却对模糊信息具有很好的处理能力，模糊控制正是通过模仿人的思维方法，以人的经验为依据，用隶属函数描述差异间的过渡，使模糊概念能够定量表示。要使计算机能够接受并处理模糊信息，必须深入研究语言变量、模糊逻辑以及模糊推理方面的基本知识。3.2.1语言变量及精确量的模糊化模糊控制器的语言变量l是指将输入变量和输出变量用自然语言的形式表达。

28、一般说来，人们习惯于把事物分为大、中、小三个等级，所以，大都选用“大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出变量的状态。考虑到正、负两个方向判断的对称性，将大、中、小再加上正、负两个方向并考虑变量的零状态，共有七个词汇，即负大、负中、负小、零、正小、正中、正大一般用英文字头缩写为：nb、nm、ns、ze、ps、pm、pb选择较多的词汇描述输入、输出变量，可以使制定控制规则方便，但控制规则就会变得复杂。选择词汇过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器性能变坏。在应用时，可根据实际需要选择。语言变量论域上的模糊子集由隶属函数来描述，隶属函数可通过总结操作者的实践经验或采用模糊统计法、例证法、专

29、家经验法、正态函数法等来确定。把精确量转换成用模糊集合的隶属函数来表示的某一模糊变量的语言值，即找出该精确量隶属于某个模糊子集的隶属度，这一过程称为精确量的模糊化。精确量模糊化一般定义七个模糊子集，其变化范围为66，如果精确量的变化范围不在6,6之间，而在a,b之间时，可利用（32）、(33)式将其转化成6,6之间的变量。下面给出一种对称三角形分布的隶属函数如图3-2所示。 (32) (33)式（32）（33）中a,b分别为输入量取值的左、右边界值。图3-2 三角形分布的隶属函数fig 3-2 triangular distribution membership function3.2.2模糊

30、逻辑通常将研究模糊命题的逻辑称为连续逻辑，也称为模糊逻辑，它是二值逻辑的推广，是对经典的二值逻辑的模糊化1112模糊逻辑是建立在模糊集合的二值逻辑概念基础上的，可以把它视为一类特殊的多值逻辑。一个公式的真值，在二值逻辑中只能取两个（0和1），而在模糊逻辑中可取0，1区间中的任何值，其数值表示这个模糊命题真的程度。3.2.3模糊推理推理是根据一定的原则，从一个或几个已知判断引伸出一个新判断的思维过程。模糊推理又称模糊逻辑推理，是指已知模糊命题，推出新的模糊的命题作为结论的过程，可见，模糊推理是一种近似推理。在复杂的语言系统中，选择一个合适的论域是困难的，在同一个论域u上，用集合描述语言的推理，同

31、样也会遇到困难。因此，在应用模糊集合论对模糊命题进行模糊推理时，应用模糊关系表示模糊条件语句，这样将推理的判断过程转化为对隶属度的合成及演算过程。3.2.4 反模糊化在模糊控制中，对建立的模糊控制规则要经过模糊推理才能决策出控制变量的一个模糊子集，而它是一个模糊量不能直接控制被控对象，需采取合理的方法将模糊量转化为精确量，才能将模糊推理结果付于实施。把模糊量转化为精确量的过程称为反模糊化或模糊判决1314。模糊量的反模糊化过程有多种方法：重心法最大隶属度法取中位法。3.3 加热控制加热系统由大水箱，小水箱，热泵机组和微处理器即atmega16组成。温度传感器和霍尔传感器得到大水箱的水温和液位的

32、信号，并送入a/d转换,传送至atmega16。atmega16即根据信号控制加热系统的工作状态。加热系统的工作状态可以分为3种情况讨论：当大水箱的液位低于温度都没有达到输出的要求时，则热泵机组加热小水箱中的水，小水箱直接将水送入大水箱。当大水箱的液位达到输出要求但温度不够时，小水箱停止送水。热泵机组和大水箱组成循环供热系统，加热大水箱中的水，直至水温达到输出要求。当大水箱的温度达到输出要求但液位不够时，热泵机组停止循环加热，切换到加热小水箱的工作状态，小水箱向大水箱送水。由此可知热泵机组工作在2个状态即加热小水箱和循环加热大水箱。atmega16通过处理大水箱温度和液位的信号，控制热泵机组的

33、工作状态，热泵机组的控制由加热控制器来实现。3.3.1 热水系统模糊控制器的输入变量和输出变量确定热泵热水系统工程中，水温控制是关键，需综合考虑实时检测到的出水口温度值及其随时间的变化率；主水箱水量等参数。根据经验，选择实时检测到的出水口温度与设定温度的差值及该差值随时间的变化率2个参数为模糊控制器的输入变量，通过调整热泵的投切（模糊控制器的输出），从而调节加热效率，实现升温或降温，构成一个双输入单输出模糊控制器，实现温度控制1516。模糊控制的基本原理框图(图3-3)。为温度给定值，为实测温度值。图3-3 温度模糊控制原理图fig3-3 temperature fuzzy controlle

34、r chart模糊控制器的一个输入量为测得温度与设定温度的偏差e其中：为设定的水温;为当前测得的水温。将分为三个模糊子集b（大）、s（小）、n（负），对应温度的偏差为：tm1、tm2tm1、0tm2、tm20）。模糊控制器的另一输入量为温度偏差的变化量，其中：为前次测得的温度；为本次测得的温度。分为三个模糊子集p（正）、z（零）、n（负），对应的偏差变化量为： a0，-a0a0，0）主控制器输出控制为u，输出为加热量u，对应于热泵的四种状态的组合：热泵机组1和热泵机组2都加热，热泵机组1加热，热泵机组2加热、热泵机组1和热泵机组2都不加热（其中热泵机组1的功率大于热泵机组2的功率）。3.3.2

35、 精确量基本论域及模糊集合论域的确定温度检测电路（温度传感器）检测出来的实时温度值与设定温度值比较产生温度偏差以及温度偏差的变化率两值为精确量，需将其转化为模糊集合才能送到模糊控制器中去。温度偏差e（精确量）的基本论域范围为5.0v+5.0v，由式（32）将其换为模糊集合论域在6，+6之间变化的模糊输入变量e；变化率（精确量）的基本论域范围为2.5v+2.5v，由式（33）将其化为模糊集合论域在-6，+6之间变化的模糊输入变量5,6,7。模糊输出量u论域为6，+6。3.3.3模糊控制算法的设计模糊控制规则是模糊控制器的核心，它是将专家的经验加以总结，从而得到一条条模糊条件语句集合。模糊控制器的

36、控制规律由单片机的程序实现，实现模糊控制算法的一般过程是：首先单片机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信e，将其作为一个模糊控制器的输入，再将变化率作为另一个模糊控制器的输入。把误差信号e和变化精确量进行模糊化变成模糊量，再用相应的模糊语言表达，得到误差e及水位模糊语言集合e、，再由e、和模糊控制规则r根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u。基于热水系统工程操作经验，现总结出一组模糊条件语句1718。其中e表示温度偏差的模糊集合，表示温度偏差率的模糊集合，u表示输出信号的模糊集合。模糊控制规则可归纳如下：表3-1 模糊控制规则表tab 3-1 fuzzy

37、control rules pznbbbbmmmssssznzzz由单片机对温度进行测量，将本次测得的温度与设定的温度值相减得到温度的偏差e，并存储到存储单元tms；将本次测得的温度减前次测量的温度，得到温度的偏差变化量并存入存储单元tmcb；根据温度的偏差及偏差的变化量由模糊控制表决定电热丝的断闭。如果将的四个模糊子集n、s、m、b分别用数字-1、1、3、6表示，的四个模糊子集n、z、p分别用数字-1、0、1表示，则根据3-1的模糊控制规则表，可得到如表3-2所示的。表3-2 模糊控制表tab 3-2 fuzzy control rules 10-1676534321210-10-1-2将表

38、3-2与表3-1对照可以看出：当时，加热量为z；当时，加热量为s；当时，加热量为m；时，加热量为b。故可编制所求的模糊控制程序。3.3.4加热控制器控制加热控制器收到主控制器指令后，根据加热柜内的温度和水位等作出相应的动作。加热控制器有停机，加热，进水，出水，四种状态。收到主控制器停机命令，加热柜进入停机状态，关闭循环泵，停掉热泵，关闭所有阀门。收到补水指令，加热柜先检测水位，如果水位未达上限，进入进水阶段，打开进水阀，打开循环泵同时开启泵，让冷水通过热泵机组补入加热柜中。当水位到达上限时，进入加热阶段，关闭进水阀，热泵机组和加热柜组成一个小循环加热系统。当热泵机组出水管温度到达设定出水温度，

39、则进入出水阶段。关闭内环阀，打开出水阀，加热柜的热水在循环泵的作用下流向主水箱。当加热柜的水位到达下限时，进入进水阶段，关闭出水阀，打开进水阀，周而复始。直到收到主控制器停止补水的命令。收到循环加热指令，加热柜进入补水阶段，像补水加热一样，如果加热柜水位未达上限，则进入进水阶段，然后进过出水阶段又回到进水阶段。在进水阶段，打开大环阀，内环阀，大水箱的水经过大环阀进入加热柜。经过一定的延时后，加热柜有了一定的水量，关闭内环阀，然后打开出水阀，热泵与主水箱之间形成了一个大循环回路。为了避免加热柜内的水杯抽干，在水位低于下限时，会打开内环，经过一个延时后，又回到刚才的大循环状态。收到停止补水指令后，

40、如果没有收到循环加热指令或收到了停机指令，加热柜进入停机状态，关闭热泵，并关闭所有阀门。3.4延时参数设置在选用合适的循环泵并由加热柜控制循环泵时，完全可以在3分钟内完成加热柜向大水箱补水，或者是从自来水中补水灌满加热柜。因此，应该设置补水延时时间和出水延时间为小于255的数。比如设置为240s,当加热柜从自来水中补水达补满加热柜的时间超过240s时，加热柜就会自动保护。如果加热柜的补到大水箱的时间超过了240s，也可以认为是出现了故障。这样可以检测管路的故障，保障热泵机组的安全运行。前面说过，大循环时，要先向加热柜注入一定的水量。这样就要设置循环延时参数，该参数的意义是必须向加热柜补水（从大

41、水箱）一定的时间，才真正的进入大循环状态，设置该参数的意义是减少球阀的切换动作阶段，尽量避免加热柜从进水阶段过渡到加热阶段，这样才能保持高效。第四章 系统硬件及软件设计4.1 系统硬件设计及总体控制系统在硬件设计中采用atmel公司的atmega16微处理器为中控芯片，配合多功能数据采集芯片，也将大幅提高装置的抗干扰性能，并降低功耗和成本。系统硬件组成框图如图4-1所示。主要由两片atmega16、输入电路组成和输出电路组成19。图4-1 系统硬件组成框图fig4-1 system hardware block diagram4.1.1 双cpu电路系统的设计和分析采用双cpu交互控制，利用冗

42、余原理提高保护装置的可靠性。两个cpu同时工作，互相监督，将采集到的数据相互比较，如果结果相近，则直接采用该结果；如果结果相差过大，则通过分析，抛弃误差较大的结果。通过该种相互配合、相互监督的双cpu控制模式，可以大幅度提高系统的可靠性、减小由器件问题带来的误差、增强抗干扰性。另外，在硬件设计中采用atmel公司出品的atmega16l微处理器为中控芯片，配合多功能数据采集芯片，也将大幅提高装置的抗干扰性能，并降低功耗和成本双cpu电路系统是一种冗余结构，包含2个cpu，其中1个cpu是主cpu，一般处于工作状态，另1个是备用cpu。当主cpu正常工作时，备用cpu的端口将自动封锁起来；当主c

43、pu将控制权交给备用cpu或主cpu出现故障时，备用cpu将启动，同时将主cpu的端口封锁。双cpu电路的原理图如图4-2所示 ：图4-2 双cpu冗余电路原理图fig4-2 dual-cpu redundancy circuit双cpu控制的工作原理如下：将cpu1和cpu2的定时/计数器t0设置为快速pwm工作模式，定时/计数器t1设置为计数模式。当主cpu1正常工作时，cpu1利用t0产生周期小于1ms的时钟脉冲，发送到cpu2的t1管脚。同时，备用cpu2利用t0产生周期小于1ms的时钟脉冲，发送到cpu1的t1管脚。通过赋值语句th1=0xff，tl1=0xff使t1每检测到管脚上的

44、1个脉冲就产生1个计数中断，在计数中断服务程序中，用变量n存放一共检测到的脉冲个数既n=n+1或n+。t0工作在pwm模式，用来产生周期小于1ms的脉冲信号。当t0产生匹配中断时，在中断服务程序中，用变量m存放发送的脉冲个数即m=m+1。当主cpu1的t1连续检测到来自备用cpu2的脉冲，并且脉冲个数大于3即n3,主 cpu1认为备用cpu2处于正常工作状态，此时可封锁主cpu1的端口，使备用cpu2控制输出。当备用cpu2的t1连续检测到来自主cpu1的脉冲，并且脉冲个数大于3即n3, 备用cpu2认为主cpu1处于正常工作状态，此时可封锁备用cpu2的端口，使主cpu1控制输出。其端口控制

45、的逻辑关系式为 （4-1）其中n14，可将以上布尔代数写入gal16v8下面对双cpu电路系统的3种工作状态进行分析：1、cpu(1)为主cpu2、cpu(0)为辅助cpu3、cpu(f)为cpu的失控状态4、为cpu1的输出，为cpu2的输出分析三种工作状态：一般情况下为cpu1(1) cpu2(0)，此时,输出。如果cpu1(f)，cpu2(0)变成cpu2(1)，同时，此时输出。如果cpu1(0)，cpu2(0),同时,输出。由以上分析可知无论在什么情况下,系统都能正常工作。cpu2不断检测cpu1是否有中断发生，以此判断cpu1是否正常工作，如果检测出cpu1出现故障,则cpu2(0)

46、变成cpu2(1)，同时。4.1.2 温度测量部分4.1.2.1 温度传感器ad590简介20温度测量部分采用ad公司的温度传感器ad590。ad590是ad公司利用pn结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。它不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声等的干扰。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。即使电源在515v之间变化，其电流只是在la以下作微小变化，同时也适用于本文所要求的模块化、分体式结构的特点2 0。ad590的主特性参数如下：工作电压：430v工作温度：-55+150c 保存温度：-65+175c

47、正向电压：+44v反向电压：-20v焊接温度(10秒)：300 灵敏度：la/k4.1.2.2 ad590工作原理及其测温电路ad590产生的电流与绝对温度成正比，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1a。ad590温度与电流的关系如下表所示：表4-1 ad590温度与电流的关系tab4-1 the relationship between temperature and current of ad590摄氏温度ad590电流经10k电压0273.2 a2.732 v10283.2 a2.832 v20293.2 a2.932 v30303.2 a3.032 v40313.2 a

48、3.132 v50323.2 a3.232 v60333.2 a3.332 v100373.2 a3.732 vad590工作原理为：以ad590为一桥臂的测温电桥采取到的温度信号，经差动放大并进行缓冲隔离后一路送至数显表进行数字化温度显示，另一路与设定值相比较，比较出来的差值由开关k控制可选择送入两路调节控制器。其中一路由比较放大器和继电器组成，以此为调节控制器可使该装置形成一个无需与计算机相连的独立的测控温设备；另一路由开关量构成，控制固态继电器（控温执行元件），即从调节控制器出来的信号通过控温执行元件实现温度控制。用半导体温度传感器ad590(ic4)配上相关电路，可构成0100c温度检

49、测器。此时传感器ad590的输出电流与绝对温度成正比，在温度-55150c时，其电流灵敏度为1a/绝对温度1度。例如传感器测室内温度为25c时，其输出电流为298a(绝对温度=273+25=298k，因1k对应的电流输出为la，则298k时传感器输出为298a)。该0100c温度监测器电路原理如图4-3所示图4-3 温度监测器电路原理图fig4-3 temperature monitoring circuitic1与ic3是电压跟随器，起缓冲作用，防止负载对信源的影响，如传感器输出电流为298a，适当调整传感器的电位器vr1，使ic1第脚输入电压为298mv，则ic1第脚输出也为298mv，适

50、当调整vr2可使ic3的第脚输入为273mv，因而ic3的第脚输出也为273mv。ic2及其外围电路组成减法器，其第脚输出电压为icl输出电压与ic3输出电压之差，即，将vt电压信号送入显示电路，就会在液晶显示屏或万用表上显示摄氏温度的数值(本例中输出25mv，在显示电路上将显示25c)。本电路的校准步骤如下：首先将传感器放入冰中(0c)，并调整vr2，使电路输出为0mv(用万用表测试)。然后将传感器浸入沸水(100c)中，调整vr2使万用表读数为100mv，校准即可结束。只要有温度变化，传感器输出电压就发生改变，ic2就立刻得到两个电压的差值，温度就会连续不断的显示出来。 最后温度测控装置的

51、调节控制器中的一路采用调功方式来确定控制量的大小。温度测控装置主要采用的是输出反馈型控制，从这一原理出发就可以实现水箱的设定值和实际值之差为最小。4.1.3 流量测量部分4.1.3.1 cwv-h0510型水流量传感器的特性水流量传感器采用湛江中信电磁阀有限公司口径为3cm的cwv-h0510型水流量传感器，它价格较低，体积小、重量较轻便于携带，而实际生活应用中可以根据自己的需要，定制口径和接线端连接方式和线路长短。cwv-h0510主要参数特性： a.额定工作电压：dc 5v b.额定电压范围：dc 518v c.使用温度范围：-20+80c (无结冰状态) d.使用温度范围：35%90%r

52、h(无结霜状态)e.允许耐压： 1.2mpa以下流量脉冲特性： 脉冲频率(垂直方向安装)4.1.3.2 水流量传感器工作原理半导体薄片置于磁感应强度为b 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流i 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。1.磁感应强度b为零时的情况 图4-4 磁感应强度b为零时的情况fig4-4 magnetic induction b is zero2.磁感应强度b较大时的情况：作用在半导体薄片上的磁场强度b越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势可用下式表示： （4-2） 图4-5 磁感应强度b较大时的情况fig4-5 magnetic induc

53、tion b is big水流量传感器是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量。在霍尔元件的正极串入负载电阻，同时通上5 v的直流电压并使电流方向与磁场方向正交。当水通过涡轮开关壳推动磁性转子转动时，产生不同磁极的旋转磁场，切割磁感应线，产生高低脉冲电平。由于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比，转子的转速又与水流量成正比，根据水流量的大小启动热泵系统。其脉冲信号频率的经验公式为： （4-3）则水流量为： （4-4）式中： -脉冲信号频率（）- 水流量（）流量输出的信号为锯齿波，经过如图4-6转换电路后转化为方波可以被cpu直接读取，同时开始计数。如图所示，在下降沿脉冲触发开始计数

54、至下一个下降沿脉冲触发为一个周期，则频率可由下式计算，这个频率可以直接被cpu读取。 图4-6 转换电路和方波周期fig4-6 conversion circuit and square wave cycle （4-5） （4-6）由水流量传感器的反馈信号通过控制器判断水流量的值。根据热泵系统机型的不同，选择最佳的启动流量，可实现超低压(0 .02 mpa以下)启动。在这里采用的是16位的事件捕获定时器(cap)，它可监控多达6路芯片输入的上升、下降或2种边沿。硬件监控定义的边沿并将捕获的定时器值送入6个寄存器之一。1、 频率的测算 电网信号经过波形转化变成方波进入到单片机的中断i/o口，由定时器在每次信号的上升沿时计数，在下一个上升沿来时，记录下定时器的值，然后算出两者的差值，再将定时器清零，继续下一个周期的频率测算。其中每一个上升沿来时所获取的定时器的值就是此信号的周期，由此可以计算出频率f=f/t。 图4-7 检测周期示意图fig4-8 detection period由于干扰的存在，获得方波边沿有抖动，有可能获取的定时器的值偏差较大，这不是想要的结果，因此采用了限幅滤波的方式，在一个允许值的范围内接收定时器的值，当值超出范围时剔