中央空調(diào)溫度模糊控制器的設(shè)計(jì)

凌雙明，彭小平

（1．湖南信息科學(xué)職業(yè)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410151;2．湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082; 3．長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410124）

中央空調(diào)溫度模糊控制器的設(shè)計(jì)

凌雙明1，2，彭小平3

（1．湖南信息科學(xué)職業(yè)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410151;2．湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082; 3．長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410124）

介紹中央空調(diào)房間溫度控制器的溫控原理，提出一種通過(guò)單片機(jī)89C52控制系統(tǒng)在空調(diào)溫度控制中實(shí)現(xiàn)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)，給出控制器的硬件設(shè)計(jì)方案和軟件設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹主控制器采用模糊控制的工作方式，通過(guò)仿真可以看出控制器有較好的控制效果。

中央空調(diào);溫度;模糊控制;單片機(jī)

中央空調(diào)房間溫度控制器的智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)模糊PID溫度控制，根據(jù)設(shè)定的溫度和房間的冷熱負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的風(fēng)量以控制冷熱交換量，實(shí)現(xiàn)房間溫度的控制并具有耗能低，控溫精度高等特點(diǎn)。無(wú)閥式中央空調(diào)房間溫度控制器，是新一代中央空調(diào)系統(tǒng)專(zhuān)用末端控制裝置。它徹底拋棄結(jié)構(gòu)復(fù)雜又容易損壞的電動(dòng)水閥，可適用于所有的單相三速風(fēng)機(jī)盤(pán)管作控制器，使被控房間的溫度維持在用戶設(shè)置的溫度左右，提高了中央空調(diào)的品質(zhì)和效率。［1］中央空調(diào)房間的溫度控制過(guò)去一直依賴溫控電動(dòng)閥。其使用壽命大多數(shù)在1～3年，因?yàn)槲覈?guó)的工業(yè)用水硬度高，在管道中極易結(jié)垢而造成損壞。無(wú)閥式溫控制器以調(diào)風(fēng)取代調(diào)水，解決了這一難題并有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是全自動(dòng)智能控制，控溫精度高，溫度無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)單方便;二是自動(dòng)調(diào)節(jié)，并能根據(jù)房間冷熱負(fù)荷和預(yù)置的溫度隨時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的冷熱量輸出，省電節(jié)能。

1 整體設(shè)計(jì)

1．1 性能指標(biāo)

要求達(dá)到的性能指標(biāo)為：控溫范圍：5℃～38℃;控溫精度：±0．5℃;溫度設(shè)置范圍：5℃～38℃;采用薄膜按鍵及液晶顯示屏作為人機(jī)操作界面;具有手動(dòng)與自動(dòng)控制兩種功能。

1．2 采用的控制策略

本文采用模糊自適應(yīng)整定PID控制來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的控制。模糊邏輯控制（FLC）是已經(jīng)成功地應(yīng)用在空調(diào)系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)控制方法相比，F(xiàn)LC對(duì)環(huán)境干擾、過(guò)程參數(shù)變化等具有較強(qiáng)的魯棒性，工作范圍寬，適用范圍廣并能抑制非線性因素對(duì)控制器的影響。不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)無(wú)法建模或很難建模的復(fù)雜對(duì)象，可以利用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器，從而完成控制任務(wù)，［2］而傳統(tǒng)的控制方法都要已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型才能設(shè)計(jì)控制器。模糊控制器的工作原理如圖1所示。

圖1 模糊控制器的工作原理

1．3 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2所示。

圖2 房間空調(diào)系統(tǒng)示意

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件如圖3所示，溫控的硬件是采用單片機(jī)89C52來(lái)作為模糊控制系統(tǒng)的模糊控制器。溫度傳感器為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），與平衡電橋?qū)囟鹊淖兓D(zhuǎn)變成電壓的變化，并與ADC0809轉(zhuǎn)換器直接連接，要求0．5℃的測(cè)溫分辨率。89C52根據(jù)溫度的變化及趨勢(shì)，輸出占空比可調(diào)的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，經(jīng)光電耦合器隔離，輸出控制信號(hào)控制可控硅導(dǎo)通，從而控制中央空調(diào)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)溫，控溫的目的。人機(jī)操作界面采用薄膜按鍵及液晶顯示屏，配有手動(dòng)和自動(dòng)切換。

圖3 中央空調(diào)室內(nèi)溫度控制原理框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

軟件采用模糊控制策略，模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，模糊控制不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，模糊理論將經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、思維推理，控制過(guò)程的方法與策略是由所謂模糊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。［3］模糊控制系統(tǒng)組成具有常規(guī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，模糊控制系統(tǒng)通常由模糊控制器、輸入/輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象和測(cè)量裝置等五個(gè)部分組成，如圖4所示。

圖4 模糊控制系統(tǒng)組成框圖

對(duì)受控的工業(yè)對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定控制器的輸入變與輸出變量，根據(jù)實(shí)際過(guò)程的需要建立物理模型，確定控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

3．2 模糊規(guī)則設(shè)計(jì)

將輸入變量數(shù)值用模糊語(yǔ)言變量的語(yǔ)言模糊化處理，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制作用。在實(shí)際控制過(guò)程中，將一個(gè)溫度記輸入語(yǔ)言變量e和ec的論域?yàn)閄∈（－3，3），溫差E和EC定義為7個(gè)模糊子集{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，表示符號(hào){NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}。既將X劃分為7個(gè)等級(jí)。需要控制器對(duì)溫度的變化較靈敏，因此采用三角形隸屬函數(shù)。其隸屬函數(shù)通常選用三角形或梯形分布，由隸屬函數(shù)圖可確定輸入數(shù)值相應(yīng)的隸屬度。［4］

1）當(dāng)e較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的Kp和較小的Kd，同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常Ki=0;

2）當(dāng)e處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)Kp應(yīng)取得小些。在這種情況下，Kd的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大，Ki的取值要適當(dāng);

3）當(dāng)e較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，Kp與Ki均應(yīng)取得大些，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，Kd值的選擇根據(jù)ec值較大時(shí)，Kd取較小值，通常Kd為中等大小。

根據(jù)上述的PID參數(shù)整定原則及專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，可以列出輸出變量Kp與Ki的控制規(guī)則表（見(jiàn)表1、表2）。確定語(yǔ)言控制規(guī)則是模糊控制器設(shè)計(jì)的核心工作，控制規(guī)則的多少視輸人及輸出物理量數(shù)目及所需的控制精度而定。所設(shè)計(jì)的模糊控制器需多次檢驗(yàn)和修正調(diào)整。當(dāng)系統(tǒng)誤差和誤差變化率較大時(shí)，采用模糊控制策略，使系統(tǒng)盡快減小其誤差和誤差變化率;而當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近時(shí)，則采用PID控制，并根據(jù)系統(tǒng)所處的狀態(tài)要求控制大能自動(dòng)切換，能夠消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。［5］

表1 Kp規(guī)則表

表2 Ki規(guī)則表

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)采用MATLAB平臺(tái)下的SIMULINK進(jìn)行仿真。圖5給出了與PID控制器控制效果的比較。

圖5 模糊控制器與PID控制器控制效果比較圖

仿真說(shuō)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。仿真結(jié)果說(shuō)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)。

［1］張國(guó)忠．智能控制系統(tǒng)及應(yīng)用［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2007．

［2］劉東利，王延耀，張建勇．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID算法在溫室溫度控制中的仿真研究［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2006，（10）：70－72．

［3］靳兆榮，徐敏杰，魏學(xué)良．基于模糊決策的自動(dòng)噴灌控制器的設(shè)計(jì)［J］．排灌機(jī)械，2004，（5）：26－28．

［4］胥芳，盛軍強(qiáng)，陳教料．基于MATLAB的溫室溫度模糊專(zhuān)家控制仿真研究系統(tǒng)［J］．仿真學(xué)報(bào)，2007，（11）： 2464－2466．

［5］齊學(xué)義，蔡艾江，吳疆．變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)模糊PID控制的仿真［J］．江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，（4）： 365－368．

［編校：劉敏］

Design of Tem perature Fuzzy Controller for Central Air Conditioning

LING Shuangming1，2，PENG Xiaoping3
（1．Hunan Information Science Vocational College，Changsha Hunan 410151;
2．College of Electric and Information Engineering，Hunan University，Changsha Hunan 410082;
3．Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，Changsha Hunan 410124）

This paper introduces the temperature controlled theory of central air conditioner－room temperature controller，and proposes a kind of design to implement the fuzzy－PID controller by single－chip 89C52 control system in air conditioning temperature control．This paper proposes the controller＇s hardware design and software design，and also introduces in detail themain controller＇s work method by using fuzzy control．This controller has a good control effect in the simulation．

central air conditioning;temperature;fuzzy control;single－chip

TP303

A

1671－9654（2011）01－052－03

2011－02－23

凌雙明（1983－），女，湖南長(zhǎng)沙人，助理實(shí)驗(yàn)師，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)。