中央空调温度模糊控制器的设计

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1、nK盍幫垢s44建鮮udl-191-llnCNm7、 仿真实验1 摘 要在现代化的楼房大厦中,大多数采用了中央空调统一供热、制冷的方法。在 每一个房间内都安装了热交换器和循环风机,通过设定风机的转速来改变换热量 的大小,调节房间的温度。一般的控制器可以设定“高/中/低/关”四种模式。但 这种控制方法的缺点是房间温度需要手动调节,各种环境因素的变化常常会使人 们感到不适。由于被控对象具有较大的惯性和迟延,受各种因素变化影响,因而对象的传递 函数具有非线性和时变特性;对于各个空调控制器,由于房间情况和安装情况不同 导致对象特性不同,采用常规 PID 控制难以取得较好的控制效果。而模糊控制是 基于模

2、糊规则的控制,可以引入设计者的经验,对非线性对象、大惯性大迟延对象 以及数学模型不太清楚的对象都可以取得较好的控制效果,具有较好的鲁棒性。法国ST公司生产的ST62系列单片机，具有优良的噪声免疫能力，可以直接与电力线连接,能为一般民用电器的设计提供一种可靠性高、成本低的解决方法。基于ST62系列单片机,本文提出了具有实用价值的房间温度模糊控制器的设计方案。2 模糊控制器理论及基本结构本节将介绍模糊控制(fuzzy controI)的基本原理、结构分析、稳定性理论和设计方法。模糊控制器的基本结构如图 1 所示。图 1 模糊控制器的基本结构图 1 中， u 是 SISO 被控对象的输入， y 是被

3、控对象的输出， s 是参考输入，t t te二s - y是误差。图中虚线框内的就是模糊控制器（FC），它根据误差信号e产 生合适的控制作用u ,输出给被控对象。模糊控制器主要由模糊化接口、知识库、 模糊推理机、解模糊接口四部分组成，各部分的作用概述如下。2.1模糊模糊化接口接受的输入只有误差信号e由e再生成误差变化率e或误差的t t t差刀Ae，模糊化接口主要完成以下两项功能。论域变换：e和e都是非模糊的普通变量，它们的论域（即变化范围）是 实数域上的一个连续闭区间，称为真实论域，分别用X和Y来代表。在模糊控 制器中，真实论域要变换到内部论域X和Y，。如果内部论域是离散的（有限个 元素），模糊

4、控制器称为“离散论域的模糊控制器”（D- FC），如果内部论域是 连续的（无穷多个元素），模糊控制器称为“连续论域的模糊控制器” （C - FC）。 对于 D-FC, X , Y二0士整数；对于 CFC , X , Y二-丨，1。无论是 D -FC还是C-FC,论域变换后e , e变成e* , e相当乘了一个比例因子（还 可能有偏移）。t t t t模糊化：论域变换后e*和e*仍是非模糊的普通变量，对它们分别定义若 干个模糊集合，如：“负大” （NL）、“负中”（NM）、“负小”（NS）、“零”（Z）、“正 小”（PS）、“正中” （PM）、“正大” （PL），并在其内部论域上规定各个模糊 集

5、合的隶属函数。在t时刻输入信号的值e , e经论域变换后得到e * , e再根 据隶属函数的定义可以分别求出e*，e*对各模糊集合的隶属度，如J (e*)、t t NL t卩(e *) 这样就把普通变量的值变成了模糊变量(即语言变量)的值，完 成了模糊化的工作。注意在这里e*，e*既代表普通变量又代表模糊变量，作为 普通变量时其值在论域X，Y中:是普通数值；作为模糊变量时其值在论域0, 1中，是隶属度。2.2 知识库顾名思义，知识库中存贮着有关模糊控制器的一切知识，它们决定着模糊控制器的性能，是模糊控制器的核心。知识库又分为两部分，分别介绍如下。数据库(data base)它虽然叫作数据库，但

6、并不是计算机软件中数据库的概念。它存贮着有关模糊化、模糊推理、解模糊的一切知识，如前面已经介绍的模糊化中的论域变换方 法、输入变量各模糊集合的隶属函数定义等，以及将在下面介绍的模糊推理算法， 解模糊算法，输出变量各模糊集合的隶属函数定义等。规则库(rule base)其中包含一组模糊控制规则，即以“IF.，THEN.”形式表示的模糊条件语句，如& : if e is /li and d is E、then u is C *:汗十 k A2 Is Rg, Uien uf is C；* * fi if is A, and e m then u r iw Ct: ,3其中，e*和e*就是前面所说的语

7、言变量e *和e * ,Al，A2， , An是e*的模糊集 合，B1，B2，Bn是e*的模糊集合，C|，C2，Cn是U*的模糊集合。在12.4节中已经讲过，每条控制规则是一个在积空间X、Y、Z冲的模糊 关系，e* e X，e e Yf，u* e Z，如果X ； Y, Z皆为离散论域，还可以写出模 糊关系矩阵 f 2，n。规则库中的n条规则是并列的尼们之间是或” 的逻辑关系，因此整个规则集的模糊关系为R 二 Rii=12.3模糊推理机由介绍的模糊推理方法我们知道，模糊控制应用的是广义前向推理。在t时 刻若输入量为e *和e * , e * e X，e * e Y，若论域XYZ都是离散的，e *

8、在X 上对应矢量A , e *在Y 上对应矢量B，则推理结果是Z上的矢量C,C = （Ax B）。R2.4解模糊解模糊可以看作是模糊化的反过程，它要由模糊推理结果产生控制 ul 的数值，作为 模糊控制器的输出。解模糊接口主要完成以下两项工作。解模糊：对u也要由真实论域Z变换到内部论域Z，对u* e Z定义若干 个模糊集合，并规定各模糊集合的隶属函数。模糊推理是在内部论域上进行的， 因此得到的推理结果C 是Z上的模糊矢量，其元素为对u *的某个模糊集合的隶 属度。对于某组输入e* , e*，-般会同时满足多条规则（称为激活），因此会有多 个推理结果C , i为不同的模糊集合。求u Ci，并用某种

9、解模糊算法（如最大隶 属度法），即可求得此时的内部控制量u*。 1论域反变换：得到的u* e Z，进行论域反变换即得到真正的输出u e Z, 它仍然是非模糊的普通变量。t以上已经大致介绍了模糊控制器的工作原理，其具体工作过程比较复杂，而 且内部论域有离散和连续两种情况，工作过程又有很大差别，因此下面将以实例 对 DFC 和 CFC 分别介绍其详细的工作原理和处理过程。3 中央空调系统控制方法3.1 控制目标和被控对象的建模空调控制器的设计目标是:调节风机转速,使房间温度接近设定温度;避免调节机 构频繁动作,防止环境温度在设定值附近频繁振荡;节约能源。安装中央空调后,影 响房间温度的主要因素是循

10、环水温度、室外温度、房间散热系数和空调换热系数。 其中空调换热系数主要由循环风机的转速决定,可以作为调节手段。房间空调系 统示意图如图 2 所示。循环水图 2 空调系统示意图温度对风机转速的传递函数可以用一个二阶惯性加纯迟延的对象来表示。对于一个实际的对象，当冷却水温度为8工、环境温度为36工时，风机转速由0%加到100%,实验得到的对象的传递函数可为:U +7,0i l + l），0由于对象的建模一般都在某个工作点上进行线性化,被控对象本身的非线性 在控制机构大幅动作时是不能忽略的;而且,由于各种干扰因素的存在及空调控制 器安装情况的不同等,很难用一确定的等效传递函数来表示实际被控对象。故上

11、 面得到的传递函数只能被看作是近似的表示。3.2 系统控制方案的设计对于一般的控制系统,对象增益的变化对控制品质的影响最大。设计控制器 的要点,也就在于当对象增益变化时,保证系统的控制品质。这里采用了模糊控制 器加积分的控制方式来保证系统的控制品质。并且在循环风机出口加入温度测点, 构成串级控制系统,以克服对象的迟延;加入冷却水温度测点,作为控制的修正量。 控制系统的框图如图 3 所示。图 3 控制系统框图在本控制方案中,主调节器采用的是模糊偏差加偏差变化控制,相当于非线性 的比例微分控制器,积分作用主要用于消除静态误差。副调节器采用的是比例调 节器,主要用于消除系统的惯性和迟延。4 中央空调

12、模糊控制器的设计设计模糊控制器时需要考虑对象增益变化的补偿。在实际调节过程中 ,影响 对象增益变化的主要原因是即房间温度和冷却水温度的差值。当AT增加时, 对象的增益就增大；AT减小时，对象增益随之减小。在控制中取误差信号厂为：相当于对模糊控制器的比例作用进行修正。其中，Tw冷却水温度；Tg温度的给定值；Ts房间温度。模糊控制器采用了解析描述控制规则可调整的模糊控制器。对于简单的模糊 控制器，如果将误差E、误差变化EC及控制量u的论域取成一致，为 -3,-2,-1,0,1,2,3,则一般的模糊控制规则可以概括为：u=-(2)这样的控制规则简单有效,计算机实现起来很方便。在此基础上,进一步采用

13、了一种带有调整因子的控制规则：!/；(： a- G J i；4)I：l，；1 l一n 为论域阶数。在控制过程中的扰动刚开始阶段,主要是希望系统输出迅速跟随输入,减小误 差,因此控制器的比例作用可以取得相对大一些;而误差较小时,则希望系统稳定, 过大的比例作用会使系统出现振荡。控制器的积分作用采用的是积分分离式的控制,在系统误差小到一定范围后才发 挥作用,以减小系统振荡,提高系统稳定性。5 系统硬件设计5.1单片机系统设计单片机选择ST62T01C单片机注要特点如下:电源电压范围为3.0 6.0V;最 大时钟频率为8MH乙工作温度范围为-40+125C;2K字节EPROM,64字节 RAM;4

14、路模拟输入的 8 位 A/D 转换器;1 个带 7 位予分频的 8 位定时/计数器; 电源监控及看门狗;4个可提供20mA吸入电流的I/O,可直接驱动晶闸管;低功 耗。温度传感器为TMP37,输出比例系数为20mV/C。系统采用3.6V电源 时,TMP37与ST6201C的A/D转换器直接连接，可以获得0.8C的测温分辨率。用8MHz振荡器时单片机电路的电流消耗小于5mA,可以用一个简单的RCD电 路接到电力网。为了避免电磁干扰,PCB板的设计需要合理安放退耦电容和滤波 电容的位置。在ST62系列单片机的开发工具中，包含fuzzyTECHST62 Explorer编辑器, 采用WINDOWS图

15、形化的开发界面，产生优化的ST62汇编代码。用户可以只关 心模糊控制逻辑的实现,不用过多考虑编程的问题。5.2流电机控制电路对于直流电机，转速差不多与供电电压成比例。利用这一原理，可以使用MCU 产生的脉冲宽度调制信号驱动开关元件控制直流电机。这样就避免了使用速度传 感器，并且电机有着更高的效率图4为控制电路原理图。主要包括过零检测电路和电机控制电路。过零检测 电路用以确定每一个交流电半波的起始点。经过确定的延时后 ,电器控制电路输 出脉冲触发晶闸管导通,给电机供电,这样延时时间t就和输出功率P建立了确定 的对应关系，如图5(b)所示(Td为导通时间)。由于延时时间和输出功率是非线性 的关系,

16、所以通过在 MCU 中建立一个数据表将输出功率和延时时间的关系线性 化。对于空调风机控制,数据表采用64个点即可。图4 电机控制电路原理图HL（町延时时间与交流包半波渡形匚Wms f/se延时时阖与功率对应关系图5 Td与P关系图为了克服电力网供电带有尖峰干扰会干扰晶闸管导通,应采用合适的滤波措施。对于检测过零点可以通过内部时钟设置一个时间窗，对于50Hz的交流电，时 间窗可以设置在8 12ms之间，别的时间则不予检测。和单独的空调相比，中央空调具有制冷制热效率高、运行费用低、清洁环境 等优点,在现代化建筑中将越来越广泛地使用。研究新的控制机构和控制方法,使 系统更节能、人们感觉更舒适是工程技

17、术人员面临的新课题。本文提出了中央空调房间温度控制器的设计方案,如果用该方案对整个中央空调系统进行整体控制, 则可以期待获得更好的效果。6 系统软件设计6.1 PC 软件设计PC 机完成的功能主要包括: 控制系统的启动、停止,控制参数设置, 储存单片 机传送过来的实时采集的温度数据并将其实时显示和绘图。软件流程框图如图6 所示。PC机软件由Delphi6.0编写，温度曲线图的绘制通过TCHART控件编程 实现。温度数据的存储通过建立 Access 数据库,将数据实时存入数据库来实现。6.2 控制规则自调整模糊控制器的软件设计由计算机程序实现控制规则自调整模糊控制器的控制算法, 流程框图如图 7

18、所示。讪）（帽刘膜勉境眨刮益莊料A-彳人）匸仇1）加宜心、十卄、叫丄利亲叩同削T弗孙n阻其毎眾.申ec址）複魏世1?顿桃匕JGJU）转抉SH8帕入、報也竝朮桃坝f* =叫护？二1 -何卩卜言壷区閒附丁池程序包括如下两个部分:1）计算机离线计算查询表程序。查询表的建立方法是：将调整因子a看作是一 个模糊集, 其论域为（ 0, 0.1,0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1） ; 根据希望 的控制性能构造a的修改规则;将之制成查询表，将此表存于计算机内存中, 供计算机在线控制时使用。2）计算机在线实时控制程序。该程序在模糊控制过程中完成在线计算输入变 量

19、（ 误差和误差变化率） , 并将它们模糊化处理, 查找查询表后再作输出处理。具体步骤如下： 设置输入、输出变量及控制量的基本论域，预置量化因子、比例因子和采样周期。 判断采样时间到否, 若时间已到, 则转向第三步,否则等待。 启动A/D转换，进行数据采集。 计算误差和误差变化并判断它们是否已超过上（ 下） 限值, 若已超过, 则将 其设定为上（ 下） 限值。 按给定的量化因子将误差和误差变化模糊化, 并由此查询存放在计算机内存 中的a修改规则查询表，以选择适当的a值。 由下式计算控制量的值:U=- int ae+ （ 1- a） ec，将此值乘以给定的比例 因子, 若已超过上（ 下） 限值,

20、则设置为上（ 下） 限值。 启动D/A转换得到控制器实际输出模拟量用来控制温度箱的温度。6.3 PC 机与单片机串口通信软件设计PC 机与单片机串口通信通过 MAX3225E 串口通信芯片来实现。软件的设计 包括单片机串口通信和 PC 机（ 上位机） 串口通信两部分内容, 两者必须遵从 相同的通信协议才能正常通信。系统采用串口通信格式如下 : 波特率为4800bps, SMOD=1,单片机串口工作于方式1；用T1作为定时器，工作于方 式2, fOSC=11.0592M。将以上已知条件带入下面的串口波特率计算公式:计算得到: TH1=244 （ 十进制） =0F4H （ 十六进制） 。数据位:

21、8 位; 奇偶位: 无; 启始位: 1 位; 停止位:1 位。单片机串口通信程序包括串口初始化程序和中断服务程序, 用 C51 编写。串口初始化程序是对串口工作方式进行设置，控制寄存器PCON和SCON的设置以及定时器 T1 的设置。中断服务程序主要是采用中断方式来接收和发送数据，同时要用软件方式清除接收中断标志RI（响应接收中断后）和发送中断 标志TI（响应发送中断后）。单片机串口通信程序流程框图见图8所示。接忖F噺PC 机串口通信程序用于读取单片机发来的温度数据和向单片机发送参数及命扌商咆命程序友送子程序卑11初始化令，用Delphi6.0编制，利用串口控件SPCOMM可实现PC机串口通信

22、，其流 程框图见图9所示。6.4抗干扰设计系统的抗干扰能力是系统可靠性的重要指标。本系统主要采用有硬件抗干扰设计 和软件抗干扰设计。1) 硬件抗干扰设计 在后向通道设计中采用光电耦合器MOC3041。光电耦合器具有和高的绝缘电 阻可达欧姆以上, 并能承受 2000V 以上高压, 因而能有效隔离高电压对微机系 统的各种噪声干扰, 抑制尖峰脉冲电压, 具有很强的抗干扰能力。 数字信号的传输采用双绞线。双绞线的阻抗高，抗共模噪声能力强，能使各个 小环路的电磁感应干扰相互抵消, 对电磁场具有一定的抑制效果。 电源线应尽量加粗。可使信号电平稳定和增加抗干扰能力，使电源线能通过3 倍于印刷电路板上的允许电

23、流。 接地线尽量构成闭环路, 可增加抗干扰能力。 配置去耦电容。电源输入端接10100pF的电解电容，给每个IC集成芯片 配置一个O.OIpF的陶瓷电容器。2) 软件抗干扰设计采用限幅滤波法消除干扰, 其方法是将两次相邻的采样值求出其增量 , 然后 与两次采样允许的最大差值 y进行比较；若小于或等于则取本次采样值, 若大于则取上次采样值作为本次采样值，即|yn-yn-1|-Ay,则 yn 有效；|yn-yn-1|则 yn-1 有效。式中:yn第n次采样值；yn-1第n-1次采样值；Ay相邻两次采样值允许的最大偏差。6.5 误差分析误差主要来源是: PT1OO铂热电阻在0C 100C范围存在0.

24、1C的误差。 A/D转换误差：1/2详0.025%。 被控对象即恒温箱内温度的不均匀导致误差。对于第 3 项减少误差的方法是在箱内安装风扇增加流动性； 另外, 采取多点 测量, 然后取平均值作为温度测量值。综合以上可知，系统总的误差小于0.3C。7仿真实验系统采用MATLAB平台下的SIMULINK进行仿真。图10给出了本控制系统 和PID控制器的阶跃响应曲线。图11给出了当对象增益变为10时本控制器与 PID 控制器控制效果的比较。仿真说明本控制器具有较快的响应速度和较好的对 象适应能力。在用水箱阀门系统作为模拟对象的实验中,也获得了相同的效果。山7UUOJIULF j2Dt/s图 10 本控制系统和 PID 控制器的阶跃响应曲线图 11 当对象增益变为 10 时本控制器与 PID 控制器控制效果的比较仿真曲线的超调量为5%。仿真结果说明，模糊控制器较PID控制具有响应速度 快、鲁棒性好的优点。以上控制方法的说明都是以中央空调制冷状态下为例进行 说明的。中央空调不仅可以在夏季制冷,冬季还可以制热。在制热情况下,系统的 分析和结构是类似的。8 参考文献ST62 系列单片机应用手册 刘仁普 1999.5模糊控制-神经控制及智能控制 李世勇 1998.9