基于T-S模糊控制器的模块化电地暖的研究

郭来瑞 许芷毓 李磊 胡凌豪

摘 要：电能属于二次资源，且具备可再生性和来源的多样性，已经在供暖行业引起了极大重视。未来会有越来越多的用户选择智能模块化电地暖。

本文提出了一种智能模块化电地暖温度控制系统，拟在解决智能化控制电地暖温度，使其具有节能型，高效性，智能性。首先设计了一类T-S模糊控制器，使得室内温度保持预设温度值。其次通过给每个地暖系统安装无线通信模块实现了地暖系统之间的信息交换和地暖系统的多点控制，从而实现了电网负荷调度，有效保证地暖板的功率。然后用STM32实现了对设备温度的监控和远程的控制。

关键词：模块化;电地暖;T-S模糊控制;预设温度值;多点控制

一、研究意义

中国中央、国务院下发的《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中明确指出“力争用10年左右时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%，积极稳妥推广钢结构建筑。”按照这个目标要求，供热供暖技术必须使用现代工艺进行精确计算，合理设计进行配套。然而现有的供热供暖系统虽然品种繁多，但是对于温度的控制还不能达到更大效果的节能，控制器的设计和选取还存在一些问题。因此，需要一种新的供暖方式和温度控制方法，来满足安全、绿色环保、节能的供暖要求。

二、目前国内外研究现状

目前国内外对气供暖系统的温度控制方法研究较多，但对于装配式环境下电地暖的温度控制方法的研究处于起步阶段。研究温度控制的算法主要有PID控制算法、模糊PID控制算法、BP神经网络PID控制算法、遗传算法PID控制算法等。[1]

PID控制是工业控制中的经典控制方式之一，它具有结构简单及可靠性高等优点，且PID控制器不依赖于研究對象的精确的数学模型。即使控制技术及理论飞速发展，且出现了多种先进控制方法，但在工业控制系统中PID控制器的应用依然很广泛。现今，90%以上的工业过程中均运用了或涉及到了PID控制方法。文献[2]阐述了一种基于增量式数字PID算法的智能温度控制器的实现，并对数字PID算法及硬件方案的实现进行了分析。通过软硬件的设计，完成了PID控制算法在温度控制系统中的应用。

模糊PID控制器是模糊理论和PID控制器结合起来设计的，可以在线控制系统的输出响应，并求出系统的性能指标。还可以实现PID参数的自动调整。国内外也针对模糊PID控制算法做了一些研究。

目前，人工神经网络是一种重要的智能控制方法，它将大量简单处理单元连接成多种多样的复杂网络，其拓扑结构的算法各有不同，以BP算法应用最广。文献[3]提出了BP神经网络PID控制算法，并对该算法进行了分析，分别以温室温度和传热站的温度为控制对象分別对常规PID控制器和BP神经网络PID控制器进行了大量仿真研究。

以上研究均是针对大型工业设备或温室系统的温度控制，对于供暖系统尤其是电地暖供暖系统的温度控制方法的研究还比较少。而随着供暖在生活中的普及，从绿色环保的角度出发，需要设计一种合理的温度控制方法达到节能减排和能源高效利用的目的。

三、系统的整体结构

本系统结合电地暖温度控制单体控制、多点控制和分户分室分时等特点，对智能模块化电地暖系统温度控制进行建模分析。具体研究内容如下：

研究智能模块化电地暖系统的多点控制。首先，提出了一种模块化电地暖多点控制系统，建立以最小的电能消耗为目标函数、以室内温度不高于设定温度为约束条件的优化模型。然后，当温度达到设定值时，求解维持当前温度所消耗电能最小的功率设定，并通过系统的温度传感器和无线通信模块实时调节电地暖的工作功率，从而保持室内温度的相对稳定。最后，结合仿真设计，得到了室内温度的时间变化曲线和电地暖工作功率的时间变化曲线。

研究电地暖系统温度保持稳定的条件并设计相应的控制器。首先，从物理意义上划分整个电地暖系统，根据能量守恒定律建立温度变化的微分方程组。然后，根据模型系数确定性的特点，结合T-S模糊理论，设计了一种模糊控制器。同时对系统参数进行约束从而建立保证模型温度稳定的条件。最后，利用设计的控制器对系统的温度进行跟踪控制，验证了控制设计的合理性。

四、系统的硬件和软件设计

本系统主要由温度传感器模块、STM32、ESP8266无线发送模块、ESP8266无线接收模块、液晶显示屏模块、蜂鸣器报警模块、GPRS无线通信模块、按键模块、LED灯、显示模块和手机控制模块组成。

智能模块化电地暖温度控制系统需要用到无线传输数据，因此系统的收发电路会由两个电路部分组成，分别是发送电路和接收电路。此系统的硬件设计，选用的单片机型号是STM32，温度传感器DS18B20，液晶显示屏LCD1602，ESP8266，排阻，电容，晶振等。大体实现的功能是温度传感器的感知温度将在液晶显示屏显示出来。当超过所设置的温度上下限时，会使系统中的红灯亮，然后发出报瞥的声音，设定值可由用户自行更改设置。

手机控制模块，此模块是本系统控制部分最重要的一个模块，用户检测到数据都要传送到手机终端上，并根据预先设置的温度进行动作，能有效的控制暖通设备温度的变化，可以让用户根据自己的喜好和需求随意调节暖通设备的温度并且控制暖通设备的开关状态，从而实现远程对暖通设备的控制。

五、结语

综上所述，本文提出了一种分散供暖多点控制系统，和传统电地暖相比，能够实现电力系统的负荷调度，保证供暖系统的正常运行，从而实现地暖系统的多点控制。通过控制电地暖的工作效率实现对家庭室内温度的调节，不仅仅能快速使室内温度达到到预设温度，同时还可以保证室内温度不会过高，维持室内温度的相对稳定。

参考文献

[1] 许王瑶，李泽，郝万君.电地暖系统的温度控制方法[J].中国科技信息，2019（22）：59-61+14.

[2] 林海波，王晓曦，刘奭昕.一种基于增量式数字PID算法的智能温度控制器[J].长春工程学院学报（自然科学版），2011，12（03）：86-89.

[3] 涂川川，朱凤武，李铁.BP神经网络PID控制器在温室温度控制中的研究[J].中国农机化，2012，2：151-154.

[4] 赵栋. 智能模块化电地暖温度控制方法的研究[D].重庆交通大学，2018.

基金：本项目来源于大学生创新创业训练计划项目支持

项目名称：智能模块化电地暖温度控制系统，项目编号：S201910656169