摘? 要: 提出了一套中央空調(diào)房間溫度控制器的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)對(duì)象的大慣性、大遲延特點(diǎn),采用串級(jí)控制方式;針對(duì)對(duì)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(jì)方案,并對(duì)使用單片機(jī)控制直流電機(jī)的原理進(jìn)行了說明。?

　　關(guān)鍵詞: 中央空調(diào)? 溫度? 模糊控制? 單片機(jī)?

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　　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(gè)房間內(nèi)都安裝了熱交換器和循環(huán)風(fēng)機(jī),通過設(shè)定風(fēng)機(jī)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(diǎn)是房間溫度需要手動(dòng)調(diào)節(jié),各種環(huán)境因素的變化常常會(huì)使人們感到不適。?

　　由于被控對(duì)象具有較大的慣性和遲延,受各種因素變化影響,因而對(duì)象的傳遞函數(shù)具有非線性和時(shí)變特性;對(duì)于各個(gè)空調(diào)控制器,由于房間情況和安裝情況不同導(dǎo)致對(duì)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(jì)者的經(jīng)驗(yàn),對(duì)非線性對(duì)象、大慣性大遲延對(duì)象以及數(shù)學(xué)模型不太清楚的對(duì)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(jī),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(jì)提供一種可靠性高、成本低的解決方法?；赟T62系列單片機(jī),本文提出了具有實(shí)用價(jià)值的房間溫度模糊控制器的設(shè)計(jì)方案。?

1 系統(tǒng)控制方法?

1.1 控制目標(biāo)和被控對(duì)象的建模?

　　空調(diào)控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是:調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,使房間溫度接近設(shè)定溫度;避免調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)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(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q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。?

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　　溫度對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)可以用一個(gè)二階慣性加純遲延的對(duì)象來表示。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的對(duì)象,當(dāng)冷卻水溫度為8℃、環(huán)境溫度為36℃時(shí),風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由0%加到100%,實(shí)驗(yàn)得到的對(duì)象的傳遞函數(shù)可為:?

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　　由于對(duì)象的建模一般都在某個(gè)工作點(diǎn)上進(jìn)行線性化,被控對(duì)象本身的非線性在控制機(jī)構(gòu)大幅動(dòng)作時(shí)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(shí)際被控對(duì)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(jì)?

　　對(duì)于一般的控制系統(tǒng),對(duì)象增益的變化對(duì)控制品質(zhì)的影響最大。設(shè)計(jì)控制器的要點(diǎn),也就在于當(dāng)對(duì)象增益變化時(shí),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(fēng)機(jī)出口加入溫度測(cè)點(diǎn),構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng),以克服對(duì)象的遲延;加入冷卻水溫度測(cè)點(diǎn),作為控制的修正量。控制系統(tǒng)的框圖如圖2所示。?

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　　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(dāng)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(jì)?

　　設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)需要考慮對(duì)象增益變化的補(bǔ)償。在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中,影響對(duì)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(dāng)ΔT增加時(shí),對(duì)象的增益就增大;ΔT減小時(shí),對(duì)象增益隨之減小。在控制中取誤差信號(hào)為:相當(dāng)于對(duì)模糊控制器的比例作用進(jìn)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(duì)于簡(jiǎn)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(jiǎn)單有效,計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)起來很方便。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步采用了一種帶有調(diào)整因子的控制規(guī)則:?

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??? N為論域階數(shù)。?

　　在控制過程中的擾動(dòng)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(duì)大一些;而誤差較小時(shí),則希望系統(tǒng)穩(wěn)定,過大的比例作用會(huì)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(shí)驗(yàn)?

　　系統(tǒng)采用MATLAB平臺(tái)下的SIMULINK進(jìn)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(dāng)對(duì)象增益變?yōu)?0時(shí)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(duì)象適應(yīng)能力。在用水箱閥門系統(tǒng)作為模擬對(duì)象的實(shí)驗(yàn)中,也獲得了相同的效果。?

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　　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(diǎn)。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(jìn)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(jì)?

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

　　單片機(jī)選擇ST62T01C單片機(jī),主要特點(diǎn)如下:電源電壓范圍為3.0～6.0V;最大時(shí)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(gè)帶7位予分頻的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器;電源監(jiān)控及看門狗;4個(gè)可提供20mA吸入電流的I/O,可直接驅(qū)動(dòng)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(shí),TMP37與ST6201C的A/D轉(zhuǎn)換器直接連接,可以獲得0.8℃的測(cè)溫分辨率。?

　　用8MHz振蕩器時(shí)單片機(jī)電路的電流消耗小于5mA,可以用一個(gè)簡(jiǎn)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(jì)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(jī)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(shí)現(xiàn),不用過多考慮編程的問題。?

2.2 直流電機(jī)控制電路?

　　對(duì)于直流電機(jī),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(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件控制直流電機(jī)。這樣就避免了使用速度傳感器，并且電機(jī)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(cè)電路和電機(jī)控制電路。過零檢測(cè)電路用以確定每一個(gè)交流電半波的起始點(diǎn)。經(jīng)過確定的延時(shí)后,電器控制電路輸出脈沖觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,給電機(jī)供電,這樣延時(shí)時(shí)間t就和輸出功率P建立了確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖6(b)所示(T_d為導(dǎo)通時(shí)間)。由于延時(shí)時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)表將輸出功率和延時(shí)時(shí)間的關(guān)系線性化。對(duì)于空調(diào)風(fēng)機(jī)控制,數(shù)據(jù)表采用64個(gè)點(diǎn)即可。?

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

　　和單獨(dú)的空調(diào)相比，中央空調(diào)具有制冷制熱效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、清潔環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代化建筑中將越來越廣泛地使用。研究新的控制機(jī)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(jì)方案,如果用該方案對(duì)整個(gè)中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行整體控制,則可以期待獲得更好的效果。?

參考文獻(xiàn)?

1 北京大恒實(shí)業(yè)集團(tuán)著,劉仁普譯.ST62系列單片機(jī)應(yīng)用手冊(cè).北京:冶金工業(yè)出版社,1999.5?