智能水溫控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及智能控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種智能水溫控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 水是人類生存與發(fā)展不可缺少的部分，而水溫則是水的眾多參數(shù)中極為重要的一 個。隨著科技的不斷進步，工業(yè)生產(chǎn)和日常生活對水溫有著極為嚴格的要求。在工業(yè)領(lǐng)域 中，對水溫的精確控制可以保證生產(chǎn)自動化的順利進行。在日常生活中，人們可以自由設(shè)定 水溫，以達到自己的需求。由此可見，智能水溫控制技術(shù)有著很好的應(yīng)用前景和實用意義。 水溫控制就是為了使水溫達到預期的要求，系統(tǒng)獲取環(huán)境參數(shù)后，結(jié)合各種先進技術(shù)和科 學算法，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量提高和生產(chǎn)安全的目的。目前，精密水溫控制系統(tǒng)作為一種先進技術(shù) 廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)生活中，如食品制作、藥物制品、化工制品以及普通家電等。另外，控制的精 確性決定了產(chǎn)品質(zhì)量。單片機控制水的溫度，有效地提高了控制能力，實現(xiàn)智能的目標。傳 統(tǒng)的水溫控制性能不佳，甚至有不穩(wěn)定、失控的現(xiàn)象。之所以會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因為傳統(tǒng) 水溫控制采用電阻限流方式，這一類的控制對象慣性較大，容易造成滯后。實際中能源浪費 主要由系統(tǒng)整體功率的不變性導致。
[0003] 十九世紀七十年代，國外開始研究溫度控制。經(jīng)過幾十年的不斷探索，國外的溫度 控制系統(tǒng)由最初的利用模擬組合儀表采集信息，再進行各種計算和推導來實現(xiàn)溫度控制， 迅速地走向智能化和小型化。到了 21世紀初，通過微機采集并控制信息傳輸?shù)?多因子綜 合控制系統(tǒng)"已經(jīng)被科學家們著手研發(fā)了，世界正走向無人化自動控制。我國的科學家從 1980年開始才慢慢學習只針對單項環(huán)境因子的溫度室內(nèi)微機技術(shù)。目前，國內(nèi)的溫度控制 系統(tǒng)只能達到20世紀中后期的水平，相比于發(fā)達國家還有很大的差距。在具有滯后特性和 復雜時變特性的溫度控制系統(tǒng)中，我國目前的技術(shù)還遠遠不夠。我國與發(fā)達國家之間的差 距主要在于儀表的商品化，國內(nèi)正在不斷改進自適應(yīng)控制技術(shù)以求減小差距。PID控制器作 為一種較成熟的控制器，經(jīng)常被用于智能化控制儀表的制作。不過，溫度控制系統(tǒng)的要求隨 著人們對生活質(zhì)量要求的提高愈發(fā)嚴格，簡單的PID控制技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們對水溫的 精密度以及快速響應(yīng)性的要求。
[0004] 而基于單片機控制的水溫系統(tǒng)，既可以提高系統(tǒng)精確度和穩(wěn)定性，也可以降低能 源的消耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種智能水溫控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)精確度 和穩(wěn)定性，降低能源的消耗。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種智能水溫控制系統(tǒng)，包括：溫度測量模 塊、紅外遙控模塊、顯示模塊、發(fā)聲模塊、單片機、溫度控制模塊和加熱模塊，其中，所述溫度 測量模塊用于實時監(jiān)測水溫，獲得實時水溫T g并發(fā)送至單片機；所述紅外遙控模塊用于遙 控設(shè)置需要達到的目標水溫Tw并發(fā)送至單片機；所述發(fā)聲模塊用于在所述目標水溫T w設(shè)置 成功后發(fā)聲提示；所述顯示模塊用于顯示實時水溫1；和所述目標水溫T w;所述單片機用于 根據(jù)所述實時水溫Tg和所述目標水溫T w計算得到水溫差值e = T W-Tg和差值變化率ec = de/dt，并比較水溫差值的絕對值I e I與預設(shè)閾值e。，當I e I彡e。時，采用Bang-Bang變結(jié) 構(gòu)控制方法通過溫度控制模塊對加熱模塊進行控制加熱，當I e I <e。時，采用基于自適應(yīng)PID 控制的PffM控制方法通過溫度控制模塊對加熱模塊進行控制加熱，使水溫最終達到目標水 溫Tw。
[0007] 進一步的，所述紅外遙控模塊包括紅外遙控器與型號為HX1838的紅外接收頭，所 述HX1838的紅外接收頭連接所述單片機，所述紅外遙控器用于設(shè)定目標水溫T w并發(fā)送目 標水溫Tw至所述紅外接收頭，所述紅外接收頭用于將所述目標水溫T w發(fā)送至所述單片機。
[0008] 進一步的，所述溫度控制模塊具體為繼電器，所述溫度測量模塊具體為型號為 DS18B20的溫度傳感器，所述顯示模塊為型號為12864的液晶顯示屏，所述單片機型號為 STC89C58。所述發(fā)聲模塊具體為蜂鳴器。
[0009] 本發(fā)明還公開了一種智能水溫控制方法，所述方法基于上述的智能水溫控制系 統(tǒng)，則所述方法包括：
[0010] 溫度測量模塊實時監(jiān)測水溫，獲得實時水溫Tg并發(fā)送至單片機；
[0011] 紅外遙控模塊遙控設(shè)置需要達到的目標水溫Tw并發(fā)送至單片機；
[0012] 發(fā)聲模塊在所述目標水溫Tw設(shè)置成功后發(fā)聲提示；
[0013] 顯示模塊顯示實時水溫Tg和目標水溫T w;
[0014] 單片機根據(jù)所述實時水溫Tg和所述目標水溫T w計算得到水溫差值e = T "_1；和 差值變化率ec = de/dt，并比較水溫差值的絕對值|e|與預設(shè)閾值e。，當|e|彡e。時，采用 Bang-Bang變結(jié)構(gòu)控制方法通過溫度控制模塊對加熱模塊進行控制加熱，當I e I <e。時，采用 基于自適應(yīng)PID控制的PffM控制方法通過溫度控制模塊對加熱模塊進行控制加熱，使水溫 最終達到目標水溫T w。
[0015] 進一步的，所述采用Bang-Bang變結(jié)構(gòu)控制方法通過溫度控制模塊對加熱模塊進 行控制加熱，具體包括：
[0016] 來回轉(zhuǎn)變使用Bang-Bang變結(jié)構(gòu)控制函數(shù)的最大值和最小值，從而控制溫度控制 模塊的斷電和通電狀態(tài)，進而控制加熱模塊加熱，使水溫升高。
[0017] 進一步的，所述采用基于自適應(yīng)PID控制的PffM控制方法通過溫度控制模塊對加 熱模塊進行控制加熱，具體包括：
[0018] 根據(jù)所述水溫差值和所述差值變化率選取自適應(yīng)PID控制參數(shù)：比例系數(shù)KP、積 分系數(shù)K 1和微分系數(shù)K D;
[0019] 根據(jù)選取的比例系數(shù)KP、積分系數(shù)K1和微分系數(shù)K D通過自適應(yīng)PID控制產(chǎn)生穩(wěn)定 輸出；
[0020] 將自適應(yīng)PID控制產(chǎn)生的穩(wěn)定輸出與鋸齒波進行比較，得到PffM波；
[0021] 根據(jù)PffM波的占空比控制溫度控制模塊的斷電和通電狀態(tài)，從而控制加熱模塊， 使水溫達到目標水溫T w。
[0022] 進一步的，所述根據(jù)所述水溫差值和所述差值變化率選取自適應(yīng)PID控制參數(shù)： 比例系數(shù)K P、積分系數(shù)K1和微分系數(shù)K D，具體包括：
[0023] 水溫差值e大于閾值ei時，K P取值大于閾值K P1，Kd取值小于閾值K D1，K1取0 ;
[0024] 水溫差值e小于閾值e2時，K P取值大于閾值K P1，K1取值大于閾值K "，Kd取閾值K D1 或Kdi附近值；
[0025] 水溫差值e小于閾值ei大于閾值e 2時，K P取值小于閾值K P1，Kd取值小于閾值K D1， K1取閾值K11或K11附近值，其中，e々h。
[0026] 實施本發(fā)明，具有如下有益效果：
[0027] 本系統(tǒng)在控溫方面較之于傳統(tǒng)的PID水溫控制系統(tǒng)，響應(yīng)更加迅速，相對誤差較 小，精確度更高，能源消耗少。
【附圖說明】
[0028] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0029] 圖1是本發(fā)明提供的智能水溫控制系統(tǒng)的一個實施例的系統(tǒng)框圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0031] 圖1是本發(fā)明提供的智能水溫控制系統(tǒng)的一個實施例的系統(tǒng)框圖，如圖1所示，包 括：溫度測量模塊101、紅外遙控模塊102、顯示模塊103、發(fā)聲模塊104、單片機105、溫度控 制模塊106和加熱模塊107。
[0032] 其中，溫度測量模塊101用于實時監(jiān)測水溫，獲得實時水溫1；并發(fā)送至單片機 105 ;紅外遙控模塊102用于遙控設(shè)置需要達到的目標水溫Tw并發(fā)送至單片機105 ;發(fā)聲模 塊104用于在目標水溫Tw設(shè)置成功后發(fā)聲提示；顯示模塊103用于顯示實時水溫T g和目 標水溫Tw;單片機105用于根據(jù)實時水溫T g和目標水溫T w計算得到水溫差值e = T "-1；和 差值變化率ec = de/dt，并比較水溫差值的絕對值|e|與預設(shè)閾值e。，當|e|彡e。時，采用 Bang-Bang變結(jié)構(gòu)控制方法通過溫度控制模塊106對加熱模塊107進行控制加熱，當I e I <e。 時，采用基于自適應(yīng)PID控制的PffM控制方法通過溫度控制模塊106對加熱模塊107進行 控制加熱，使水溫最終達到目標水溫T w。
[0033] 其中，紅外遙控模塊102包括紅外遙控器與型號為HX1838的紅外接收頭，HX1838 的紅外接收頭連接單片機，紅外遙控器用于設(shè)定目標水溫T w并發(fā)送目標水溫T w至紅外接收 頭，紅外接收頭用于將目標水溫Tw發(fā)送至單片機。
[0034] 其中，溫度控制模塊106具體為繼電器，溫度測量模塊101具體為型號為DS18B20 的溫度傳感器，顯示模塊103為型號為12864的液晶顯示屏，單片機105型號為STC89C58。 發(fā)聲模塊104具體為蜂鳴器。
[0035] 本發(fā)明還提供了智能水溫控制方法的一個實施例，此方法基于上述的智能水溫控 制系統(tǒng)，則方法包括步驟：
[0036] S101、溫度測量模塊實時監(jiān)測水溫，獲得實時水溫Tg并發(fā)送至單片機。
[0037] S102、紅外遙控模塊遙控設(shè)置需要達到的目標水溫Tw并發(fā)送至單片機。
[0038] S103、發(fā)聲模塊在所述目標水溫Tw設(shè)置成功后發(fā)聲提示。
[0039] S104、顯示模塊顯示實時水溫Tg和目標水溫T w。
[0040] S105、單片機根據(jù)所述實時水溫Tg和所述目標水溫1\計算得到水溫差值e = Tw-Tg 和差值變化率eC = de/dt，并比較水溫差值的絕對值|e|與預設(shè)閾值e。，當|e|彡e。時，采 用Bang-Bang變結(jié)構(gòu)控制方法通過溫