中央空調房間溫度模糊控制器的設計

在現代化的樓房大廈中,大多數采用了中央空調統一供熱、制冷的方法。在每一個房間內都安裝了熱交換器和循環風機,通過設定風機的轉速來改變換熱量的大小,調節房間的溫度。一般的控制器可以設定“高/中/低/關”四種模式。但這種控制方法的缺點是房間溫度需要手動調節,各種環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具有非線性和時變特性;對于各個空調控制器,由于房間情況和安裝情況不同導致對象特性不同,采用常規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則的控制,可以引入設計者的經驗,對非線性對象、大慣性大遲延對象以及數學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公司生產的ST62系列單片機,具有優良的噪聲免疫能力,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計方案。

1 系統控制方法

1.1 控制目標和被控對象的建模

　　空調控制器的設計目標是:調節風機轉速,使房間溫度接近設定溫度;避免調節機構頻繁動作,防止環境溫度在設定值附近頻繁振蕩;節約能源。安裝中央空調后,影響房間溫度的主要因素是循環水溫度、室外溫度、房間散熱系數和空調換熱系數。其中空調換熱系數主要由循環風機的轉速決定,可以作為調節手段。

房間空調系統示意圖如圖1所示。

溫度對風機轉速的傳遞函數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℃、環境溫度為36℃時,風機轉速由0%加到100%,實驗得到的對象的傳遞函數可為:

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

1.2 系統控制方案的設計

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

在本控制方案中,主調節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誤差。副調節器采用的是比例調節器,主要用于消除系統的慣性和遲延。