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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。在每一個空間內(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)模型不大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�；赟T62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十全十美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)，以克服在對象的遲延；加入冷卻水溫度測點，作為控制的修正量�？刂葡到y(tǒng)的框圖如圖2所示。
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：E=(Tg-Ts)/(Tw-Ts)，相當于對模糊控制器的比例作用進行修正。
其中，Tw——冷卻水溫度；
Tg——溫度的給定值；
Ts——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調(diào)整因子的控制規(guī)則：
u=-<αE+(1-α)EC> α∈（0，1） （3）
α=1/N(α,- α0)|E|+α0 0≤α0≤αs≤1；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 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)，不用過多考慮編輯的問題。
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，電路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就輸出功率P建立了確定的對應(yīng)關(guān)系，如圖6（b）所示（Td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。
和單獨的空間相比，中央空調(diào)具有制冷熱效率高、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。
