摘? 要: 提出了一套中央空調房間溫度控制器的設計方案。針對對象的大慣性、大遲延特點,采用串級控制方式;針對對象的非線性和不確定性,主控制器采用模糊控制加積分的控制方式,取得了較好的控制效果。給出了控制器的硬件設計方案,并對使用單片機控制直流電機的原理進行了說明。?

　　關鍵詞: 中央空調? 溫度? 模糊控制? 單片機?

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　　在現代化的樓房大廈中,大多數采用了中央空調統一供熱、制冷的方法。在每一個房間內都安裝了熱交換器和循環風機,通過設定風機的轉速來改變換熱量的大小,調節房間的溫度。一般的控制器可以設定“高/中/低/關”四種模式。但這種控制方法的缺點是房間溫度需要手動調節,各種環境因素的變化常常會使人們感到不適。?

　　由于被控對象具有較大的慣性和遲延,受各種因素變化影響,因而對象的傳遞函數具有非線性和時變特性;對于各個空調控制器,由于房間情況和安裝情況不同導致對象特性不同,采用常規PID控制難以取得較好的控制效果。而模糊控制是基于模糊規則的控制,可以引入設計者的經驗,對非線性對象、大慣性大遲延對象以及數學模型不太清楚的對象都可以取得較好的控制效果,具有較好的魯棒性。?

　　法國ST公司生產的ST62系列單片機,具有優良的噪聲免疫能力,可以直接與電力線連接,能為一般民用電器的設計提供一種可靠性高、成本低的解決方法。基于ST62系列單片機,本文提出了具有實用價值的房間溫度模糊控制器的設計方案。?

1 系統控制方法?

1.1 控制目標和被控對象的建模?

　　空調控制器的設計目標是:調節風機轉速,使房間溫度接近設定溫度;避免調節機構頻繁動作,防止環境溫度在設定值附近頻繁振蕩;節約能源。安裝中央空調后,影響房間溫度的主要因素是循環水溫度、室外溫度、房間散熱系數和空調換熱系數。其中空調換熱系數主要由循環風機的轉速決定,可以作為調節手段。房間空調系統示意圖如圖1所示。?

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　　溫度對風機轉速的傳遞函數可以用一個二階慣性加純遲延的對象來表示。對于一個實際的對象,當冷卻水溫度為8℃、環境溫度為36℃時,風機轉速由0%加到100%,實驗得到的對象的傳遞函數可為:?

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　　由于對象的建模一般都在某個工作點上進行線性化,被控對象本身的非線性在控制機構大幅動作時是不能忽略的;而且,由于各種干擾因素的存在及空調控制器安裝情況的不同等,很難用一確定的等效傳遞函數來表示實際被控對象。故上面得到的傳遞函數只能被看作是近似的表示。?

1.2 系統控制方案的設計?

　　對于一般的控制系統,對象增益的變化對控制品質的影響最大。設計控制器的要點,也就在于當對象增益變化時,保證系統的控制品質。這里采用了模糊控制器加積分的控制方式來保證系統的控制品質。并且在循環風機出口加入溫度測點,構成串級控制系統,以克服對象的遲延;加入冷卻水溫度測點,作為控制的修正量。控制系統的框圖如圖2所示。?

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　　在本控制方案中,主調節器采用的是模糊偏差加偏差變化控制,相當于非線性的比例微分控制器,積分作用主要用于消除靜態誤差。副調節器采用的是比例調節器,主要用于消除系統的慣性和遲延。?

1.3 模糊控制器設計?

　　設計模糊控制器時需要考慮對象增益變化的補償。在實際調節過程中,影響對象增益變化的主要原因是ΔT,即房間溫度和冷卻水溫度的差值。當ΔT增加時,對象的增益就增大;ΔT減小時,對象增益隨之減小。在控制中取誤差信號為:相當于對模糊控制器的比例作用進行修正。?

??? 其中， T_w——冷卻水溫度;?

???? ??? ? T_g——溫度的給定值;?

???? ??? ? T_s——房間溫度。?

　　模糊控制器采用了解析描述控制規則可調整的模糊控制器。對于簡單的模糊控制器,如果將誤差E、誤差變化EC及控制量u的論域取成一致,為{-3,-2,-1,0,1,2,3},則一般的模糊控制規則可以概括為:?

??? u=-<(E+EC)/2>??????????????????????????????????????? ???? (2)?

　　這樣的控制規則簡單有效,計算機實現起來很方便。在此基礎上,進一步采用了一種帶有調整因子的控制規則:?

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??? N為論域階數。?

　　在控制過程中的擾動剛開始階段,主要是希望系統輸出迅速跟隨輸入,減小誤差,因此控制器的比例作用可以取得相對大一些;而誤差較小時,則希望系統穩定,過大的比例作用會使系統出現振蕩。?

　　控制器的積分作用采用的是積分分離式的控制,在系統誤差小到一定范圍后才發揮作用,以減小系統振蕩,提高系統穩定性。?

　　控制變量在論域內模糊化,采用的是一般的方法,這里不再贅述。?

1.4 系統仿真實驗?

　　系統采用MATLAB平臺下的SIMULINK進行仿真。圖3給出了本控制系統和PID控制器的階躍響應曲線。圖4給出了當對象增益變為10時本控制器與PID控制器控制效果的比較。仿真說明本控制器具有較快的響應速度和較好的對象適應能力。在用水箱閥門系統作為模擬對象的實驗中,也獲得了相同的效果。?

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　　仿真曲線的超調量為5%。仿真結果說明,模糊控制器較PID控制具有響應速度快、魯棒性好的優點。以上控制方法的說明都是以中央空調制冷狀態下為例進行說明的。中央空調不僅可以在夏季制冷,冬季還可以制熱。在制熱情況下,系統的分析和結構是類似的。?

2 系統硬件電路設計?

2.1 單片機系統設計?

　　單片機選擇ST62T01C單片機,主要特點如下:電源電壓范圍為3.0～6.0V;最大時鐘頻率為8MHz;工作溫度范圍為-40～+125℃;2K字節EPROM,64字節RAM;4路模擬輸入的8位A/D轉換器;1個帶7位予分頻的8位定時/計數器;電源監控及看門狗;4個可提供20mA吸入電流的I/O,可直接驅動晶閘管;低功耗。?

　　溫度傳感器為TMP37,輸出比例系數為20mV/℃。系統采用3.6V電源時,TMP37與ST6201C的A/D轉換器直接連接,可以獲得0.8℃的測溫分辨率。?

　　用8MHz振蕩器時單片機電路的電流消耗小于5mA,可以用一個簡單的RCD電路接到電力網。為了避免電磁干擾,PCB板的設計需要合理安放退耦電容和濾波電容的位置。?

　　在ST62系列單片機的開發工具中,包含fuzzyTECHST62 Explorer編輯器,采用WINDOWS圖形化的開發界面,產生優化的ST62匯編代碼。用戶可以只關心模糊控制邏輯的實現,不用過多考慮編程的問題。?

2.2 直流電機控制電路?

　　對于直流電機,轉速差不多與供電電壓成比例。利用這一原理,可以使用MCU產生的脈沖寬度調制信號驅動開關元件控制直流電機。這樣就避免了使用速度傳感器，并且電機有著更高的效率。?

　　圖5為控制電路原理圖。主要包括過零檢測電路和電機控制電路。過零檢測電路用以確定每一個交流電半波的起始點。經過確定的延時后,電器控制電路輸出脈沖觸發晶閘管導通,給電機供電,這樣延時時間t就和輸出功率P建立了確定的對應關系,如圖6(b)所示(T_d為導通時間)。由于延時時間和輸出功率是非線性的關系,所以通過在MCU中建立一個數據表將輸出功率和延時時間的關系線性化。對于空調風機控制,數據表采用64個點即可。?

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　　為了克服電力網供電帶有尖峰干擾會干擾晶閘管導通,應采用合適的濾波措施。對于檢測過零點,可以通過內部時鐘設置一個時間窗,對于50Hz的交流電,時間窗可以設置在8～12ms之間,別的時間則不予檢測。?

　　和單獨的空調相比，中央空調具有制冷制熱效率高、運行費用低、清潔環境等優點,在現代化建筑中將越來越廣泛地使用。研究新的控制機構和控制方法,使系統更節能、人們感覺更舒適是工程技術人員面臨的新課題。本文提出了中央空調房間溫度控制器的設計方案,如果用該方案對整個中央空調系統進行整體控制,則可以期待獲得更好的效果。?

參考文獻?

1 北京大恒實業集團著,劉仁普譯.ST62系列單片機應用手冊.北京:冶金工業出版社,1999.5?