一款基于FPGA的智能热水器设计

　　在常规PID的应用中，P、I、D 3个参数往往根据现场设备情况或调试经验人工设定的，通过调试参数以改变控制性能。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法结构清晰，参数可调，算法简单高效，可在现场根据实际来调节比例、积分、微分3个参数来达到较好的控制效果，在温度控制系统中被广泛采用。PID控制系统原理如图6所示。

　　完整的模拟PID算法表达式为：

　　(1)式中，u(t)为控制量，e(t)为偏差，即设定值与反馈值之差，Kp为比例常数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。PID算法的原理即调节Kp，Ti，Td3个参数使系统达到稳定。

　　FPGA对信号处理前，必须将(1)式数字化，当采样周期足够短时，用累加求和替代积分、用向后差分代替微分，于是就得到差分方程：

　　式(5)即为数字PID算法公式。

　　Ziegler-Nichols(齐格勒-尼柯尔斯)参数整定它是在实验阶跃响应的基础上，或者是在仅采用比例控制作用的条件下，根据临界稳定性中的Kp值建立起来的。当被控对象的传递函数可以近似为带延迟的一阶系统：

　　齐格勒-尼柯尔斯给出了用表1中的公式确定kp、Ti、Td的值的方法。

　　用Ziegler-Nichols法则调整PID控制器，给出下列公式：

　　由电热水器温度控制系统的传递函数得：K=1.25，T=120秒，τ=122秒。

　　得Ti=2’=244秒，Td=61秒

　　根据齐格勒-尼柯尔斯参数调整法则得PID 3个参数为：

　　Kp=1.2T/τ=1.2 x 120/122=1.180 3

　　Ki=Kp/Ti=1.180 3/244=0.004 84

　　Kd=Kpx Td=1.180 3x61=71.998

　　由于FPGA不好处理浮点数，对离散信号作近似处理后得：

　　仿真时序如图7：

　　3 结束语

　　基于Actel Fuions FPGA的智能热水器控制系统，实现了水温、水位的检测和智能控制，能够适时加热从而达到保温效果，还可以根据水位自动上水，实现热水器的智能控制。该系统也可用在太阳能热水器上用来实现水温显示和液位控制，具有体积小，成本低的特点。本系统不但自身具有很好的稳定性，由于其使用PID算法实现加热保温控制，也使得整个家庭电力系统受其冲击很小。本文的最大创新点在于可以预设时间、可以远程控制烧水、可以自动调节水温和水位，这样可以为家庭甚至国家节约很多能源和水资源。