基于STM32微處理的空調末端控制器的設計

宋艷芳

摘要：采用無線傳感器網絡組建溫濕度采集網絡，改善目前中央空調末端控制器有線、單點的數據采集方式，充分利用其靈活性和可擴展性，使之能無線采集空調房間內多點溫濕度，以獲得更加準確的空間溫濕度，提高數據采集的靈活性與準確性。利用嵌入式系統的多線程任務管理機制，實現了多點溫濕度數據采集和溫度智能控制雙線程，大大提高了控制器的控制速度和精度。

關鍵詞：無線傳感器；中央空調末端；控制器

1、引言

變風量空調系統是以節能為目的發展起來的一種空調系統形式，它的設計是真正基于逐時負荷的設計，系統可根據需要隨時調節分配到各區域的送風量或供冷"供熱量，系統總送風量為各時段中所有區域要求的風量之和的最大值，而不是通常定風量空調系統設計中所有區域在各時段要求的風量的最大值之和！前者通常只占后者的70%-90%，因此，變風量空調系統可顯著減少系統總送風量和裝機容量，達到節能和減少投資的目的！

2、實驗條件與方法

實驗材料：PID控制器、硬盤和無線網卡、MATLAB/Simulink

實驗儀器設備： 變風量空調試驗臺、硬盤和無線網卡

實驗方案：對變風量空調系統末端系統，進行了深入的研究。基于變風量空調實驗室平臺，通過大量的實驗，建立論文變風量末端系統的數學模型，并驗證其可靠性。根據變風量末端系統數學模型設計出了更具針對性的控制器算法，并對和模糊兩種算法加以比較，并分析了仿真結果。

3、實驗結果與分析

3.1變風量空調末端硬件分析

變風量空調實驗室的末端系統主要設備有VAVBOX（含末端控制器和風閥執行器）及其供電和通訊電力電子系統組成。在對變風量實驗室末端研究的過程中，應用研華電壓板產生一控制電壓信號和采集風閥開度反饋電壓信號。應用總線式的通訊架構輪詢每個房間的末端控制器，實時讀取溫度、壓差、開度信號。VAV末端系統是由房間操作面板和安裝在VAVBOX箱內的VAV末端控制器共同組成。房間的操作面板采用大屏幕液晶顯示器，具有冷熱切換、室溫檢測等功能。房間內的實時溫度值和人工輸入的房間溫度設定值都可以通過房間操作面板反饋給與之通訊的末端控制器。VAV末端控制器是直接控制房間末端風閥的開度以此來改變送入房間風量的自控設備。VAV末端控制器與安裝在房間內的操作面板通訊，實時獲取溫度設定值和房間實際溫度值，同時通過安裝在風管上的兩根畢托管測量靜壓和全壓計算送風壓差。根據檢測到的房間設定溫度和實時溫度、送風風壓來調節輸出到風閥控制端的電壓大小，以此來調節送風風量。控制算法是通過末端控制器內的程序來實現的。VAV末端風閥是整個末端系統的執行機構。其開度是由2-10V的電壓來控制；對應的開度反饋是0-5V的電壓信號。為了進一步了解執行器的運行情況，決定采用階躍相應的方法來確定其響應時間、超調和有無靜差的情況。

3.2變風量中央空調末端控制器算法研究

變風量中央空調各室內風量的調節是通過末端裝置來實現的，用以補償室內負荷的變動。壓力無關型的變風量空調末端控制器在結構上與壓力有關型的控制器在空氣進入處配置了壓差傳感器或者風量傳感器。當用戶給定一個溫度設定值是，外環路的溫度控制器首先起作用，調節風閥，使室內溫度盡快達到設定值當系統靜壓發生變化造成進入入口處的靜壓發生變化時，內環路的壓差控制器風量控制器適量的調節風閥開度以維持原來系統靜壓變化前的風量不變。因此壓力無關型的變風量末端有補償系統壓力變化的功能。對于發生在副回路的增益變化和被控對象產生的相位滯后，副回路本身具有抑制作用，而且同時也可以改善主回路的響應速度。在變風量中央空調的末端控制器的調節環節中，內環采用調節器，外環采用調節器。對于內環路參數和參數的整定，采用單純型法做參數粗調，然后再用工程整定法做細調。而外環路的三參數則采用工程整定法來確定。

現在對內環路的被控對象來進行優化設計，找出一組最優的設計變量以使目標函數取值最小，因而從數學的角度上來看就是取極值的問題，而工程上稱之為“參數尋優問題.外環路溫度控制器參數的整定。應用算法來仿真外環路控制器，仿真結構圖如下

應用模糊算法的串級控制仿真：因為設計要求為無靜差控制系統，而被控對象具有慣性特征，為了達到設計的要求，采用模糊控制器既將串級控制系統的外環控制器改模糊控制器，模糊控制器的輸入是偏差和偏差變化率。

將設計的模糊控制器導入到串級控制仿真中，用模糊控制器來代替串級外環路控制器，調整模糊PID控制器的四個參數，使系統達到滿意的效果。系統仿真圖如下：

4、結論

首先對變風量空調末端的組成及控制系統進行了硬件分析，設計了其控制的原理，研究了變風量中央空調末端控制器的算法研究。包括PID控制仿真和參數調節，內循環壓差控制器和外環路溫度控制器PID參數的整定。并對模糊控制算法的串級控制仿真。對比應用PID算法和模糊控制理論設計的控制器的控制效果。應用模糊PD控制加積分環節消除靜差的思想設計了更具針對性的模糊控制器。

參考文獻：

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2017全國大學生創新創業計劃訓練項目，項目編號：201713324060。