摘? 要: 提出了一套中央空調(diào)房間溫度控制器的設(shè)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(shè)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(guān)鍵詞: 中央空調(diào)? 溫度? 模糊控制? 單片機?

?

　　在現(xiàn)代化的樓房大廈中,大多數(shù)采用了中央空調(diào)統(tǒng)一供熱、制冷的方法。在每一個房間內(nèi)都安裝了熱交換器和循環(huán)風機,通過設(shè)定風機的轉(zhuǎn)速來改變換熱量的大小,調(diào)節(jié)房間的溫度。一般的控制器可以設(shè)定“高/中/低/關(guān)”四種模式。但這種控制方法的缺點是房間溫度需要手動調(diào)節(jié),各種環(huán)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(shù)具有非線性和時變特性;對于各個空調(diào)控制器,由于房間情況和安裝情況不同導(dǎo)致對象特性不同,采用常規(guī)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(guī)則的控制,可以引入設(shè)計者的經(jīng)驗,對非線性對象、大慣性大遲延對象以及數(shù)學(xué)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(chǎn)的ST62系列單片機,具有優(yōu)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(shè)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(shè)計方案。?

1 系統(tǒng)控制方法?

1.1 控制目標和被控對象的建模?

　　空調(diào)控制器的設(shè)計目標是:調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速,使房間溫度接近設(shè)定溫度;避免調(diào)節(jié)機構(gòu)頻繁動作,防止環(huán)境溫度在設(shè)定值附近頻繁振蕩;節(jié)約能源。安裝中央空調(diào)后,影響房間溫度的主要因素是循環(huán)水溫度、室外溫度、房間散熱系數(shù)和空調(diào)換熱系數(shù)。其中空調(diào)換熱系數(shù)主要由循環(huán)風機的轉(zhuǎn)速決定,可以作為調(diào)節(jié)手段。房間空調(diào)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。?

?

?

　　溫度對風機轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)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(huán)境溫度為36℃時,風機轉(zhuǎn)速由0%加到100%,實驗得到的對象的傳遞函數(shù)可為:?

?????

　　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(gòu)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(diào)控制器安裝情況的不同等,很難用一確定的等效傳遞函數(shù)來表示實際被控對象。故上面得到的傳遞函數(shù)只能被看作是近似的表示。?

1.2 系統(tǒng)控制方案的設(shè)計?

　　對于一般的控制系統(tǒng),對象增益的變化對控制品質(zhì)的影響最大。設(shè)計控制器的要點,也就在于當對象增益變化時,保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。這里采用了模糊控制器加積分的控制方式來保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。并且在循環(huán)風機出口加入溫度測點,構(gòu)成串級控制系統(tǒng),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(tǒng)的框圖如圖2所示。?

?

?

　　在本控制方案中,主調(diào)節(jié)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(tài)誤差。副調(diào)節(jié)器采用的是比例調(diào)節(jié)器,主要用于消除系統(tǒng)的慣性和遲延。?

1.3 模糊控制器設(shè)計?

　　設(shè)計模糊控制器時需要考慮對象增益變化的補償。在實際調(diào)節(jié)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(guī)則可調(diào)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(guī)則可以概括為:?

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

　　這樣的控制規(guī)則簡單有效,計算機實現(xiàn)起來很方便。在此基礎(chǔ)上,進一步采用了一種帶有調(diào)整因子的控制規(guī)則:?

?????

??? N為論域階數(shù)。?

　　在控制過程中的擾動剛開始階段,主要是希望系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定,過大的比例作用會使系統(tǒng)出現(xiàn)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(tǒng)誤差小到一定范圍后才發(fā)揮作用,以減小系統(tǒng)振蕩,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。?

　　控制變量在論域內(nèi)模糊化,采用的是一般的方法,這里不再贅述。?

1.4 系統(tǒng)仿真實驗?

　　系統(tǒng)采用MATLAB平臺下的SIMULINK進行仿真。圖3給出了本控制系統(tǒng)和PID控制器的階躍響應(yīng)曲線。圖4給出了當對象增益變?yōu)?0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(yīng)速度和較好的對象適應(yīng)能力。在用水箱閥門系統(tǒng)作為模擬對象的實驗中,也獲得了相同的效果。?

?

?

?

　　仿真曲線的超調(diào)量為5%。仿真結(jié)果說明,模糊控制器較PID控制具有響應(yīng)速度快、魯棒性好的優(yōu)點。以上控制方法的說明都是以中央空調(diào)制冷狀態(tài)下為例進行說明的。中央空調(diào)不僅可以在夏季制冷,冬季還可以制熱。在制熱情況下,系統(tǒng)的分析和結(jié)構(gòu)是類似的。?

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計?

2.1 單片機系統(tǒng)設(shè)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(jié)EPROM,64字節(jié)RAM;4路模擬輸入的8位A/D轉(zhuǎn)換器;1個帶7位予分頻的8位定時/計數(shù)器;電源監(jiān)控及看門狗;4個可提供20mA吸入電流的I/O,可直接驅(qū)動晶閘管;低功耗。?

　　溫度傳感器為TMP37,輸出比例系數(shù)為20mV/℃。系統(tǒng)采用3.6V電源時,TMP37與ST6201C的A/D轉(zhuǎn)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(wǎng)。為了避免電磁干擾,PCB板的設(shè)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(fā)工具中,包含fuzzyTECHST62 Explorer編輯器,采用WINDOWS圖形化的開發(fā)界面,產(chǎn)生優(yōu)化的ST62匯編代碼。用戶可以只關(guān)心模糊控制邏輯的實現(xiàn),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(zhuǎn)速差不多與供電電壓成比例。利用這一原理,可以使用MCU產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制信號驅(qū)動開關(guān)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(jīng)過確定的延時后,電器控制電路輸出脈沖觸發(fā)晶閘管導(dǎo)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(yīng)關(guān)系,如圖6(b)所示(T_d為導(dǎo)通時間)。由于延時時間和輸出功率是非線性的關(guān)系,所以通過在MCU中建立一個數(shù)據(jù)表將輸出功率和延時時間的關(guān)系線性化。對于空調(diào)風機控制,數(shù)據(jù)表采用64個點即可。?

?

?

?

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

　　和單獨的空調(diào)相比，中央空調(diào)具有制冷制熱效率高、運行費用低、清潔環(huán)境等優(yōu)點,在現(xiàn)代化建筑中將越來越廣泛地使用。研究新的控制機構(gòu)和控制方法,使系統(tǒng)更節(jié)能、人們感覺更舒適是工程技術(shù)人員面臨的新課題。本文提出了中央空調(diào)房間溫度控制器的設(shè)計方案,如果用該方案對整個中央空調(diào)系統(tǒng)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(yè)集團著,劉仁普譯.ST62系列單片機應(yīng)用手冊.北京:冶金工業(yè)出版社,1999.5?