小型固体蓄热电加热设备供热控制系统研究与应用

作     者：郭丽姣 

作者单位：河北建筑工程学院 

学位级别：硕士

导师姓名：刘春蕾

授予年度：2022年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：固体蓄热 电加热 单片机 模糊PID控制 

摘      要：在治理雾霾的过程中,利用清洁能源替代燃煤供暖,实现清洁供暖得到了很多关注。固体蓄热电加热设备与传统的采暖方式相比较,具有一定优势,对于推动电力移峰填谷、推进煤改电工程具有重要意义。现有的固体蓄热电加热设备控制系统大都使用PLC结合PID控制的控制方法,这种控制系统成本较高,稳定性较差、运行调节缓慢以及抗干扰能力较差,不适合小型系统及控制性能要求较高的系统。综上,本文提出了一种低成本、高性能的控制系统,该系统以单片机为控制中心,以模糊PID为主要控制策略,利用温度传感器实时收集工作数据,控制设备的平稳运行,并利用触摸屏进行本地监控。本文的工作有以下几个方面:首先,详细介绍了固体蓄热电加热设备的运行原理,结合其工作原理分析了系统具有的特性,建立了系统的动态数学模型,证明该系统是一个大滞后、并伴有时变不确定性的系统。只使用PID控制,很难满足系统的快速响应要求,最终确定使用模糊PID算法控制换热器二次侧的供水温度,介绍了模糊PID实现的过程。通过分析控制系统的功能需求,提出了自动蓄热、自动供热的控制策略和方案。自动供热控制策略以模糊PID控制为核心,在保证循环泵流量不变的情况下,通过改变风机的频率改变换热器二次侧的供水温度,并研究了模糊PID的具体实现过程。然后,对传感器和单片机的型号进行了选择,在此基础上提出了整个系统的总体结构,设计了硬件电路。控制器硬件电路应用了功能模块的电路设计理念,不同功能的电路分开电路板来设计,分别有主板、开入板、开出板,主板与从板使用RS485通信。为了满足控制需求,主板使用性价比较高的STM32F407VET6芯片作为主控单元。从板使用STC15W4K48S4单片机作为控制核心。再次,根据控制逻辑,进行了软件编程。通过MDK5软件平台完成主板程序设计。通过keil u Vision4完成开入板、开出板程序设计。通过MCGSE组态软件平台完成触摸屏监控界面设计,实现设备的现场控制和维修。为了确保控制器达到功能要求和评估指标,对每个功能模块的总体特性进行调试和检测。最后,利用Simulink模拟验证模糊PID算法的可行性,将模糊PID控制和标准PID控制放进同一个仿真程序中。结果表明,本文引入的模糊PID控制系统拥有更强的抗干扰能力,更小的调节时间以及较小的超调量,能够改善现有固体蓄热式电加热系统存在的问题。