CN111692631A - 一种基于模糊pid控制算法的自动控温取暖器 - Google Patents

一种基于模糊pid控制算法的自动控温取暖器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器，包括底座和绝缘壳，本发明通过温度调节按键设定一个目标温度，当实际温度第一次达到目标温度，单片机通过模糊PID控制算法对发热管的功率进行控制。PID参数通过试凑法得到合适的初始取值，当实际温度与目标温度存在差量时，模糊控制器将偏差量及偏差量变化率作为输入，计算得到对PID参数的修正量，继而对PID控制器的参数进行修正，经修正的PID控制器的输出量用于调节单片机的PWM波占空比，进而控制固态继电器的通断，达到调节加热管功率的效果。若实际温度低于目标温度，则单片机调大PWM波的占空比加大发热管的功率，若实际温度高于目标温度，则减小功率。

Description

一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器
技术领域
本发明涉及取暖装置技术领域，具体为一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器。
背景技术
取暖器是一种用于取暖的家用电器，南方的房屋一般没有暖气供应设备，常在冬天用取暖器供暖。取暖器被广泛用于住宅、办公室、宾馆等场合的移动取暖。
现有技术中的取暖器，时因使用不当或使用者忘记拔掉插头等原因导致事故发生，轻则取暖器的发热装置因温度过高而烧毁，重则引燃周围的易燃物，造成严重的火灾，威胁到人身财产安全。用户在使用过程中由于周围环境温度的不断升高还需不时调节取暖器以达到一个适宜温度，体验欠佳。
发明内容
为解决上述技术问题，一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器，使用者可以设置一个目标温度，取暖器将渐渐靠近这个目标温度，使实际温度自适应地稳定在这个目标温度附近。若实际温度超过安全温度有引起火灾的危险时，取暖器将切断对发热管的供电。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器，包括底座和绝缘壳，所述绝缘壳底部与所述底座相连接，所述绝缘壳的外侧表面设置有温度传感装置，绝缘壳内侧设置有放置腔；所述放置腔内部设置有发热管，放置腔下端设置有曲面反光板；所述底座内部设置有单片机和固态继电器，底座正面设有温度调节按键、OLED显示屏和供电模块；所述单片机与所述固态继电器电连接，单片机通过模糊PID控制算法对固态继电器进行控制，并且单片机连接有温度调节按键、OLED显示屏以及供电模块，所述发热管由220V电源线供电，供电线由固态继电器控制导通与断开。
优选地，所述绝缘壳的材料为耐高温材料且绝缘壳上均匀分布有镂空的通气口。
优选地，所述温度传感装置包括绝缘外壳、温度传感器、无线发射器及锂电池，绝缘外壳的材料为耐高温材料。
优选地，所述单片机包括无线接收器，用于接收温度传感装置发送的温度信息。
优选地，所述单片机设有一个安全温度，当接收到的温度值已超过了安全温度，则单片机控制固态继电器切断220V电源线对发热管的供电。
优选地，所述温度调节按键用于设置目标温度，所述OLED显示屏(10)用于显示实时温度。
优选地，所述单片机包括模糊控制器和PID控制器，所述模糊控制器将输出结果传输至PID控制器，进而PID控制器控制固态继电器的供电和断电。
本发明所达到的有益效果：该家用自动控温取暖器，通过温度调节按键设置期望的目标温度，取暖器将渐渐靠近这个目标温度，同时温度传感装置采集周围环境的实际温度并通过无线发射器发送给单片机。发热管由220V电源线供电，供电线由固态继电器控制导通与断开，固态继电器受单片机控制。当实际温度第一次达到目标温度，单片机通过模糊PID控制算法开始对发热管的功率进行控制。若周围环境的实际温度低于目标温度，则通过单片机调整PWM波的占空比在正常工作范围加大发热管的功率，若周围环境的实际温度高于目标温度，则减小功率，达到自适应地控制实际温度在目标温度附近的效果，同时OLED屏上可显示环境的实时温度。若当前温度已超过安全温度，则单片机控制固态继电器切断220V电源线对发热管的供电，保障了人身安全，也避免了发热装置发生损毁。
附图说明
图1是本发明一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器的结构示意图；
图2是本发明一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器的部分结构示意图；
图3是本发明一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器的单片机及其控制的模块的接线图；
图4是本发明一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器的模糊PID控制器的原理图；
图5是本发明一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器的模糊PID控制器的部分原理图；
图6是本发明一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器的模糊PID控制器的部分原理图；
图中标记的含义：绝缘壳1，放置腔2，曲面反光板3，底座4，发热管5，温度传感装置6，固态继电器7，单片机8，温度调节按键9，OLED显示屏10，供电模块11，绝缘外壳61，温度传感器62，无线发射器63，锂电池64。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围。
如图1-2所示,1.一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器，包括底座4和绝缘壳1，所述绝缘壳1底部与所述底座4相连接，所述绝缘壳1的外侧表面设置有温度传感装置6，绝缘壳1内侧设置有放置腔2；所述放置腔2内部设置有发热管5，放置腔2下端设置有曲面反光板3；所述底座4内部设置有单片机8和固态继电器7，底座正面设有温度调节按键9、OLED显示屏(10)和供电模块11；所述单片机8与所述固态继电器7电连接，单片机7通过模糊PID控制算法对固态继电器7进行控制，并且单片机8连接有温度调节按键9、OLED显示屏10以及供电模块11，所述发热管5由220V电源线供电，供电线由固态继电器7控制导通与断开。
优选地，所述绝缘壳1的材料为耐高温材料且绝缘壳1上均匀分布有镂空的通气口。
优选地，所述温度传感装置6包括绝缘外壳61、温度传感器62、无线发射器63及锂电池64，绝缘外壳的材料为耐高温材料。
优选地，所述单片机8包括无线接收器，用于接收温度传感装置6发送的温度信息。
优选地，所述单片机8设有一个安全温度，当接收到的温度值已超过了安全温度，则单片机8控制固态继电器7切断220V电源线对发热管5的供电。
优选地，所述温度调节按键9用于设置目标温度，所述OLED显示屏10用于显示实时温度。
优选地，所述单片机8包括模糊控制器和PID控制器，所述模糊控制器将输出结果传输至PID控制器，进而PID控制器控制固态继电器7的供电和断电。
工作原理如图3-4所示:接通电源，启动温度传感装置6，通过温度调节按键9设置目标温度。温度传感装置6通过温度传感器62不断监测周围环境的实际温度，将温度信息通过无线发射器63发送给单片机8，单片机8通过无线接收器接收温度信息。当周围环境的实际温度第一次达到目标温度，单片机8开始对发热管5的功率进行控制。
单片机8通过模糊PID控制器使实际温度稳定在目标温度附近。在一个控制周期内，温度传感装置6将测得的温度传输给单片机8，单片机8将该温度与目标温度进行比较，计算出温度偏差量E以及温度偏差量的变化率EC，作为模糊控制器的输入。模糊控制器主要由三部分构成：模糊化、模糊推理和解模糊化。
模糊化是指对输入的变量和输出的结果进行模糊化，即将精确的数值转化为使用模糊论域描述的模糊值。偏差量E与偏差量变化率EC的模糊论域取为[-3,3],选取7个模糊子集：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，分别记为：NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB。输入量与输出量可用这7个等级描述，经量化后可取到模糊论域[-3,3]中的值，量化的过程可通过如图6的三角隶属函数表示。
对于计算得到的E和EC，可以通过隶属函数推出它们所占的隶属度，此时根据模糊规则表可找出输出量所对应的隶属度。
ΔKP的模糊控制规则表一如下表所示：
Figure BDA0002518441530000051
Figure BDA0002518441530000061
表一
ΔKI的模糊控制规则表二如下表所示：
Figure BDA0002518441530000062
表二
ΔKD的模糊控制规则表三如下表所示：
Figure BDA0002518441530000063
表三
将三张模糊控制规则表存入单片机8中，模糊控制规则可通过查询这三张表得到，如:if E＝NS and Ec＝PS then ΔKP＝ZO and ΔKI＝ZO and ΔKD＝NS。
通过模糊控制规则输出的数据是模糊值，需要通过解模糊化获得精确值。解模糊化的方法有很多，最大隶属度法、左取大法和右取大法等，此处采用最大隶属度法输出ΔKP，ΔKI，ΔKD的精确值(最大隶属度法：在输出模糊集合中取隶属度最大的元素作为精确值输出。)。ΔKP，ΔKI，ΔKD为模糊控制器的输出量，是当前周期对上一周期PID控制器的参数的修正量。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。PID控制原理如图4所示，图中，e(t)为偏差量，u(t)为PID控制器的输出量。
若当前温度与目标温度存在差距，经过模糊控制器的处理，可得到PID参数的修正量，PID参数在上一周期的基础上进行如下调整：
KP′＝KP+ΔKP
K′I＝KI+ΔKI
K′D＝KD+ΔKD
式中，KP、KI、KD分别表示PID控制器的比例系数、积分系数、微分系数，K′P、K′I、K′D分别表示调整之后PID控制器的比例系数、积分系数、微分系数。
通过调整，PID控制器的输出为：
Figure BDA0002518441530000071
经过模糊PID控制器运算得到的输出量用于控制PWM波的占空比，通过控制PWM波的占空比可控制固态继电器7的通断，进而调节加热管5的功率。PWM波示意图如图5所示，图中T为一个周期长度，PWM波的占空比为
Figure BDA0002518441530000072
若周围环境的实际温度低于目标温度，则单片机8通过模糊PID控制算法合理增大PWM波的占空比，调整固态继电器7的通断状态，在正常工作范围加大发热管5的功率；若周围环境的实际温度高于目标温度，则单片机8合理减小PWM波的占空比以减小发热管5的功率，达到控制温度在目标值附近的效果，同时OLED屏上可显示环境的实时温度。若当前温度已超过安全温度，则单片机控制固态继电器切断220V电源线对发热管的供电，保障人身安全，也避免发热装置发生损毁。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行改进，或者对其中部分技术特征进行变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器，其特征在于，包括底座（4）和绝缘壳（1），所述绝缘壳（1）底部与所述底座（4）相连接，所述绝缘壳（1）的外侧表面设置有温度传感装置（6），绝缘壳（1）内侧设置有放置腔（2）；所述放置腔（2）内部设置有发热管（5），放置腔（2）下端设置有曲面反光板（3）；所述底座（4）内部设置有单片机（8）和固态继电器（7），底座正面设有温度调节按键（9）、OLED显示屏(10)和供电模块（11）；所述单片机（8）与所述固态继电器（7）电连接，单片机（7）通过模糊PID控制算法对固态继电器（7）进行控制，并且单片机（8）连接有温度调节按键（9）、OLED显示屏（10）以及供电模块（11），所述发热管（5）由220V电源线供电，供电线由固态继电器（7）控制导通与断开。
2.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器，其特征在于，所述绝缘壳（1）的材料为耐高温材料且绝缘壳（1）上均匀分布有镂空的通气口。
3.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器，其特征在于，所述温度传感装置（6）包括绝缘外壳（61）、温度传感器（62）、无线发射器（63）及锂电池（64），绝缘外壳的材料为耐高温材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器，其特征在于，所述单片机（8）包括无线接收器，用于接收温度传感装置（6）发送的温度信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器，其特征在于，所述单片机（8）设有一个安全温度，当接收到的温度值已超过了安全温度，则单片机（8）控制固态继电器（7）切断220V电源线对发热管（5）的供电。
6.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器，其特征在于，所述温度调节按键（9）用于设置目标温度，所述OLED显示屏（10）用于显示实时温度。
7.根据权利要求1所述的一种基于模糊PID控制算法的自动控温取暖器，其特征在于，所述单片机（8）包括模糊控制器和PID控制器，所述模糊控制器将输出结果传输至PID控制器，进而PID控制器控制固态继电器（7）的供电和断电。
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