中央空調(diào)溫度模糊控制器的設(shè)計

1、目 錄1、 摘要2、 模糊控制器理論和基本結(jié)構(gòu)2.1模糊化2.2知識庫2.3模糊推理機(jī)2.4解模糊3、 中央空調(diào)系統(tǒng)控制方法3.1控制目標(biāo)和被控對象建模3.2系統(tǒng)控制方案的設(shè)計4、 中央空調(diào)模糊控制器的設(shè)計5、 系統(tǒng)硬件設(shè)計5.1單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計5.2直流電機(jī)控制電路6、 系統(tǒng)軟件設(shè)計 6.1pc軟件設(shè)計6.2控制規(guī)則自調(diào)整模糊控制器的設(shè)計6.3pc機(jī)與單片機(jī)串口通信設(shè)計6.4抗干擾設(shè)計6.5誤差分析7、 仿真實(shí)驗(yàn)1 摘 要在現(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

2、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(yàn),對非線性對象、大慣性大遲延對象以及數(shù)學(xué)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(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)計提供一種可靠性高、成本

3、低的解決方法?；趕t62系列單片機(jī),本文提出了具有實(shí)用價值的房間溫度模糊控制器的設(shè)計方案。2 模糊控制器理論及基本結(jié)構(gòu)本節(jié)將介紹模糊控制(fuzzy control)的基本原理、結(jié)構(gòu)分析、穩(wěn)定性理論和設(shè)計方法。模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) 圖1中，是siso被控對象的輸入，是被控對象的輸出，是參考輸入，是誤差。圖中虛線框內(nèi)的就是模糊控制器(fc)，它根據(jù)誤差信號產(chǎn)生合適的控制作用，輸出給被控對象。模糊控制器主要由模糊化接口、知識庫、模糊推理機(jī)、解模糊接口四部分組成，各部分的作用概述如下。2.1模糊化模糊化接口接受的輸入只有誤差信號，由再生成誤差變化率或誤差的差分

4、，模糊化接口主要完成以下兩項(xiàng)功能。 論域變換：和都是非模糊的普通變量，它們的論域（即變化范圍）是實(shí)數(shù)域上的一個連續(xù)閉區(qū)間，稱為真實(shí)論域，分別用x和y來代表。在模糊控制器中，真實(shí)論域要變換到內(nèi)部論域和。如果內(nèi)部論域是離散的（有限個元素），模糊控制器稱為“離散論域的模糊控制器”(dfc)，如果內(nèi)部論域是連續(xù)的（無窮多個元素），模糊控制器稱為“連續(xù)論域的模糊控制器”(cfc)。對于dfc，0整數(shù)；對于cfc，l，1。無論是dfc還是cfc，論域變換后，變成，相當(dāng)乘了一個比例因子（還可能有偏移）。 模糊化：論域變換后和仍是非模糊的普通變量，對它們分別定義若干個模糊集合，如：“負(fù)大”(nl)、“負(fù)中”(

5、nm)、“負(fù)小”(ns)、“零”(z)、“正小”(ps)、“正中” (pm)、“正大”(pl)，并在其內(nèi)部論域上規(guī)定各個模糊集合的隸屬函數(shù)。在t時刻輸入信號的值，經(jīng)論域變換后得到，再根據(jù)隸屬函數(shù)的定義可以分別求出，對各模糊集合的隸屬度，如、，這樣就把普通變量的值變成了模糊變量（即語言變量）的值，完成了模糊化的工作。注意在這里，既代表普通變量又代表模糊變量，作為普通變量時其值在論域，中，是普通數(shù)值；作為模糊變量時其值在論域0，1中，是隸屬度。2.2 知識庫顧名思義，知識庫中存貯著有關(guān)模糊控制器的一切知識，它們決定著模糊控制器的性能，是模糊控制器的核心。知識庫又分為兩部分，分別介紹如下。 數(shù)據(jù)庫（

6、data base） 它雖然叫作數(shù)據(jù)庫，但并不是計算機(jī)軟件中數(shù)據(jù)庫的概念。它存貯著有關(guān)模糊化、模糊推理、解模糊的一切知識，如前面已經(jīng)介紹的模糊化中的論域變換方法、輸入變量各模糊集合的隸屬函數(shù)定義等，以及將在下面介紹的模糊推理算法，解模糊算法，輸出變量各模糊集合的隸屬函數(shù)定義等。 規(guī)則庫（rule base） 其中包含一組模糊控制規(guī)則，即以“if，then”形式表示的模糊條件語句，如其中，和就是前面所說的語言變量和，al，a2，an是的模糊集合，b1，b2，bn是的模糊集合，cl，c2，cn 是的模糊集合。在12.4節(jié)中已經(jīng)講過，每條控制規(guī)則是一個在積空間中的模糊關(guān)系，如果皆為離散論域，還可以寫

7、出模糊關(guān)系矩陣ri，i1，2，n。規(guī)則庫中的n條規(guī)則是并列的，它們之間是“或”的邏輯關(guān)系，因此整個規(guī)則集的模糊關(guān)系為 2.3模糊推理機(jī) 由介紹的模糊推理方法我們知道，模糊控制應(yīng)用的是廣義前向推理。在t時刻若輸入量為和，若論域都是離散的，在上對應(yīng)矢量，在上對應(yīng)矢量，則推理結(jié)果是上的矢量， 2.4解模糊 解模糊可以看作是模糊化的反過程，它要由模糊推理結(jié)果產(chǎn)生控制ul的數(shù)值，作為 模糊控制器的輸出。解模糊接口主要完成以下兩項(xiàng)工作。 解模糊：對也要由真實(shí)論域z變換到內(nèi)部論域，對定義若干個模糊集合，并規(guī)定各模糊集合的隸屬函數(shù)。模糊推理是在內(nèi)部論域上進(jìn)行的，因此得到的推理結(jié)果是上的模糊矢量，其元素為對的某

8、個模糊集合的隸屬度。對于某組輸入，一般會同時滿足多條規(guī)則(稱為激活)，因此會有多個推理結(jié)果，i為不同的模糊集合。求，并用某種解模糊算法(如最大隸屬度法)，即可求得此時的內(nèi)部控制量。 論域反變換：得到的，進(jìn)行論域反變換即得到真正的輸出，它仍然是非模糊的普通變量。以上已經(jīng)大致介紹了模糊控制器的工作原理，其具體工作過程比較復(fù)雜，而且內(nèi)部論域有離散和連續(xù)兩種情況，工作過程又有很大差別，因此下面將以實(shí)例對dfc和cfc分別介紹其詳細(xì)的工作原理和處理過程。3 中央空調(diào)系統(tǒng)控制方法3.1 控制目標(biāo)和被控對象的建模空調(diào)控制器的設(shè)計目標(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)頻繁動作,防止環(huán)境溫度

9、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2所示。圖2 空調(diào)系統(tǒng)示意圖溫度對風(fēng)機(jī)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(shí)際的對象,當(dāng)冷卻水溫度為8、環(huán)境溫度為36時,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由0%加到100%,實(shí)驗(yàn)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(diǎn)上進(jìn)行線性化,被控對象本身的非線性在控制機(jī)構(gòu)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

10、實(shí)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。3.2 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(diǎn),也就在于當(dāng)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(fēng)機(jī)出口加入溫度測點(diǎn),構(gòu)成串級控制系統(tǒng),以克服對象的遲延;加入冷卻水溫度測點(diǎn),作為控制的修正量?？刂葡到y(tǒng)的框圖如圖3所示。 圖3 控制系統(tǒng)框圖在本控制方案中,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。4 中央空調(diào)

11、模糊控制器的設(shè)計設(shè)計模糊控制器時需要考慮對象增益變化的補(bǔ)償。在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中,影響對象增益變化的主要原因是t,即房間溫度和冷卻水溫度的差值。當(dāng)t增加時,對象的增益就增大;t減小時,對象增益隨之減小。在控制中取誤差信號為:相當(dāng)于對模糊控制器的比例作用進(jìn)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=- (2)這樣的控制規(guī)則簡單有效,計算機(jī)實(shí)現(xiàn)起來很方便。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步采用了

12、一種帶有調(diào)整因子的控制規(guī)則: 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。5 系統(tǒng)硬件設(shè)計5.1單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計單片機(jī)選擇st62t01c單片機(jī),主要特點(diǎn)如下:電源電壓范圍為3.06.0v;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路模擬輸入的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;

13、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(jī)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(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

14、。5.2 直流電機(jī)控制電路對于直流電機(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)制信號驅(qū)動開關(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4為控制電路原理圖。主要包括過零檢測電路和電機(jī)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(diǎn)。經(jīng)過確定的延時后,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,這樣延時時間t就和輸出功率p建立了確定的對應(yīng)關(guān)系,如圖5(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(fēng)機(jī)控制,數(shù)據(jù)表采用64個點(diǎn)即可。 圖

15、4 電機(jī)控制電路原理圖 圖5 td與p關(guān)系圖為了克服電力網(wǎng)供電帶有尖峰干擾會干擾晶閘管導(dǎo)通,應(yīng)采用合適的濾波措施。對于檢測過零點(diǎn),可以通過內(nèi)部時鐘設(shè)置一個時間窗,對于50hz的交流電,時間窗可以設(shè)置在812ms之間,別的時間則不予檢測。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)計方案,如果用該方案對整個中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行整體控制,則可以期待獲得更好的效果。6 系統(tǒng)軟件設(shè)計6.1 pc軟件設(shè)計 pc 機(jī)完成的功能主

16、要包括: 控制系統(tǒng)的啟動、停止,控制參數(shù)設(shè)置, 儲存單片機(jī)傳送過來的實(shí)時采集的溫度數(shù)據(jù)并將其實(shí)時顯示和繪圖。軟件流程框圖如圖6所示。pc機(jī)軟件由delphi6.0 編寫, 溫度曲線圖的繪制通過tchart控件編程實(shí)現(xiàn)。溫度數(shù)據(jù)的存儲通過建立access 數(shù)據(jù)庫,將數(shù)據(jù)實(shí)時存入數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。6.2 控制規(guī)則自調(diào)整模糊控制器的軟件設(shè)計由計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)控制規(guī)則自調(diào)整模糊控制器的控制算法, 流程框圖如圖7所示。 程序包括如下兩個部分:1) 計算機(jī)離線計算查詢表程序。查詢表的建立方法是: 將調(diào)整因子看作是一個模糊集, 其論域?yàn)? 0, 0.1,0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7,

17、0.8, 0.9, 1) ; 根據(jù)希望的控制性能構(gòu)造的修改規(guī)則; 將之制成查詢表, 將此表存于計算機(jī)內(nèi)存中, 供計算機(jī)在線控制時使用。2) 計算機(jī)在線實(shí)時控制程序。該程序在模糊控制過程中完成在線計算輸入變量( 誤差和誤差變化率) , 并將它們模糊化處理, 查找查詢表后再作輸出處理。具體步驟如下:設(shè)置輸入、輸出變量及控制量的基本論域, 預(yù)置量化因子、比例因子和采樣周期。判斷采樣時間到否, 若時間已到, 則轉(zhuǎn)向第三步,否則等待。啟動a/d 轉(zhuǎn)換, 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 計算誤差和誤差變化并判斷它們是否已超過上( 下) 限值, 若已超過, 則將其設(shè)定為上( 下) 限值。按給定的量化因子將誤差和誤差變化模糊

18、化, 并由此查詢存放在計算機(jī)內(nèi)存中的修改規(guī)則查詢表, 以選擇適當(dāng)?shù)闹?。由下式計算控制量的? u=- int e+ ( 1- ) ec ,將此值乘以給定的比例因子, 若已超過上( 下) 限值, 則設(shè)置為上( 下) 限值。啟動d/a 轉(zhuǎn)換得到控制器實(shí)際輸出模擬量用來控制溫度箱的溫度。6.3 pc 機(jī)與單片機(jī)串口通信軟件設(shè)計pc 機(jī)與單片機(jī)串口通信通過max3225e 串口通信芯片來實(shí)現(xiàn)。軟件的設(shè)計包括單片機(jī)串口通信和pc 機(jī)( 上位機(jī)) 串口通信兩部分內(nèi)容, 兩者必須遵從相同的通信協(xié)議才能正常通信。系統(tǒng)采用串口通信格式如下: 波特率為4800bps, smod=1, 單片機(jī)串口工作于方式1; 用

19、t1 作為定時器, 工作于方式2, fosc=11.0592m。 將以上已知條件帶入下面的串口波特率計算公式: 計算得到: th1=244 ( 十進(jìn)制) =0f4h ( 十六進(jìn)制) 。 數(shù)據(jù)位: 8 位; 奇偶位: 無; 啟始位: 1 位; 停止位:1 位。 單片機(jī)串口通信程序包括串口初始化程序和中斷服務(wù)程序, 用c51 編寫。串口初始化程序是對串口工作方式進(jìn)行設(shè)置, 控制寄存器pcon 和scon 的設(shè)置以及定時器t1的設(shè)置。中斷服務(wù)程序主要是采用中斷方式來接收和發(fā)送數(shù)據(jù), 同時要用軟件方式清除接收中斷標(biāo)志ri(響應(yīng)接收中斷后) 和發(fā)送中斷標(biāo)志ti(響應(yīng)發(fā)送中斷后) 。單片機(jī)串口通信程序流程

20、框圖見圖8 所示。 pc 機(jī)串口通信程序用于讀取單片機(jī)發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)和向單片機(jī)發(fā)送參數(shù)及命令, 用delphi6.0 編制, 利用串口控件spcomm可實(shí)現(xiàn)pc 機(jī)串口通信, 其流程框圖見圖9所示。6.4抗干擾設(shè)計系統(tǒng)的抗干擾能力是系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。本系統(tǒng)主要采用有硬件抗干擾設(shè)計和軟件抗干擾設(shè)計。1) 硬件抗干擾設(shè)計在后向通道設(shè)計中采用光電耦合器moc3041。光電耦合器具有和高的絕緣電阻可達(dá)歐姆以上, 并能承受2000v 以上高壓, 因而能有效隔離高電壓對微機(jī)系統(tǒng)的各種噪聲干擾, 抑制尖峰脈沖電壓, 具有很強(qiáng)的抗干擾能力。數(shù)字信號的傳輸采用雙絞線。雙絞線的阻抗高, 抗共模噪聲能力強(qiáng), 能使各個小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相互抵消, 對電磁場具有一定的抑制效果。電源線應(yīng)盡量加粗?？墒剐盘栯娖椒€(wěn)定和增加抗干擾能力, 使電源線能通過3 倍于印刷電路板上的允許電流。接地線盡量構(gòu)成閉環(huán)路, 可增加抗干擾能力。配置去耦電容。電源輸入端接10100f 的電解電容, 給每個ic 集成芯片配置一個0.01f 的陶瓷電容器。2) 軟件抗干擾設(shè)計 采用限幅濾波法消除干擾, 其方法是將兩次相鄰的采樣值求