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智能化淋浴水温控制系统的流体控制分析
日期:2008-1-9 18:24:03 来源:Control Engineering China  
点击: 作者:未知
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  引言

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     随着自动化技术的进一步发展,现在很多家庭都希望能享受智能化服务的家居环境;人们生活无非衣食住行,对于居住,如果有智能化淋浴设施,更能为生活增色不少,智能化淋浴设施中关键的两项技术为:温度控制与流量控制,其中人们对于温度控制是希望在自己设定数值以后变化不大,仅仅在设定数值周围波动;而流量则直接按需要进行调节。

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     1、系统介绍
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     水温调节系统由温度传感装置、控制系统、显示装置、冷水流控制装置、热水流控制装置、总流量控制装置构成,如图1所示。其中流量与温度有一定的关系,系统利用温度传感器测量水的温度,并将其结果传递到控制系统,将温度显示出来,并与所设置的温度进行对比,根据对比所得到的结果来控制冷热水的流量。

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图1 水温调节系统组成框图
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     2、流体控制分析

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     水温调节系统目标是控制出水管的温度和流量。对于流量的控制,是通过手动调节来实现的;而对于温

度的控制,则是先通过控制面板手动调定好温度的数值,再通过闭环控制其真实水温围绕设定水温小范围波动。
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     先用数学建模的方法对最终的控制量的影响因素进行分析。设冷水的质量为m1,流量为Q量1,温度为t温1,热水的质量为m2,流量为Q量2,温度为t温2,最终水的质量为m3,流量为Q量3,温度为t温3,可推知混合后冷水、热水的温度均变为t温3,水的密度为ρ。温度的改变与水的热量有关系,由比热公式:C=Q热[m(t温1-t温o)]可知热量和质量、温差之间的关系。在本系统中,最终的水温和冷水、热水分别的混合质量有关系,而混合质量可以看作单位时间内液体流过通流截面的液体质量,由此可知在单位时间t时内,流过的液体质量为m=ρt时Q量。若不考虑散失的那部分热量,也不考虑温度对液体粘度的影响,由以上条件,可以列出以下方程:

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     从该方程式可以推出,也就是说最终的温度是取决于冷水的温度、流量和热水的温度、流量等因素,要控制最终的温度,就要适时对冷热水的温度、流量进行相应的控制。根据所设置的温度与显示温度的温差,来控制调节系统调节的快慢,从而实现短时间内较稳定地将温度控制在所设置的范围内的目的。控制方法选择将连续域离散化法设计PID控制器。模拟式PID控制器的方框图如图2所示。
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图2 模拟式PID控制器方框图
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     为了使控制算法简单,对于该模拟式PID控制器,用矩形法数值积分来代替连续积分,也就是用位置算法,则可得到差分方程如下:

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     其中: 。
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     位置算法的特点是每次的u(k)值与被控制的位置一一对应,即每次u(k)的值直接决定了执行装置的位置。对于参数的确定,由计算出来的T1=1.00263、TD=0.29655开始,根据工程实验进行修改。

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     3、结论

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     根据建立的模型,通过编程改变横截面积的方法对各个管道的流量进行控制,从而对温度进行调节。通过工程实际的验证,对理论推导出来模拟PID控制数据表进行了修整,得到了一个比较符合现实的数据表,再通过该表直接对电机进行控制,通过电机的控制来改变管道的横截面积,从而改变流量来控制温度。

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     通过理论分析与实验验证,得到了比较符合人们要求的产品,为智能化淋浴设施的实现,带来了更大的工程应用前景。

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