教學(xué)機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)的模糊控制方法研究

毛慧鳳

（長(zhǎng)春工程學(xué)院理學(xué)院，長(zhǎng)春130012）

0 引言

教學(xué)機(jī)房在大學(xué)教學(xué)中起著重要的作用，不僅有助于提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)動(dòng)手能力，而且能夠帶動(dòng)與計(jì)算機(jī)相關(guān)的多種學(xué)科的發(fā)展。計(jì)算機(jī)在使用過程中會(huì)產(chǎn)生很多熱量，上機(jī)人員多會(huì)感到空氣很悶（CO2百分比濃度過高），這種環(huán)境不僅降低了機(jī)房設(shè)備的壽命，同時(shí)也會(huì)明顯降低學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。為了保持機(jī)房?jī)?nèi)溫度，多采用空調(diào)制冷與強(qiáng)制通風(fēng)輔助結(jié)合的方式，通過管理員手動(dòng)開啟制冷和通風(fēng)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和實(shí)現(xiàn)室內(nèi)換氣。但是受機(jī)房管理員習(xí)慣的影響，存在過度使用空調(diào)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)導(dǎo)致的能源浪費(fèi)，或不使用空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)導(dǎo)致機(jī)房?jī)?nèi)溫度高的情況。為了保證室內(nèi)溫度和空氣質(zhì)量，并最大程度地降低能耗，有必要使用更為智能的控制系統(tǒng)。

本文所研制的智能通風(fēng)系統(tǒng)充分利用了室外的自然條件，通過對(duì)室外的溫度、風(fēng)速與室內(nèi)溫度、風(fēng)速的比較，利用模糊控制方法提出一種空調(diào)和通風(fēng)系統(tǒng)改造方案，研發(fā)的系統(tǒng)不僅適用于教學(xué)機(jī)房的溫控系統(tǒng)，同時(shí)適用于多種場(chǎng)合，比如商場(chǎng)、超市、酒店等人員密集的區(qū)域，本系統(tǒng)具備投資小、實(shí)施難度低的特點(diǎn)。

本控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理平臺(tái)（人機(jī)交互單元）、控制單元（PWM、D／A控制）和輸入輸出單元三級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，系統(tǒng)控制模型如圖1所示。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

其中第一級(jí)為“云管理平臺(tái)”，用于多控制節(jié)點(diǎn)的集中、遠(yuǎn)程管理；第二級(jí)為“控制單元”，由可編程邏輯控制單元構(gòu)成，具備智能控制功能；第三級(jí)為執(zhí)行層，傳感器輸入、風(fēng)機(jī)電機(jī)、空調(diào)、手動(dòng)控制等設(shè)備。根據(jù)第三級(jí)設(shè)備的不同，第二級(jí)和第三級(jí)的通訊通過RS485或者網(wǎng)口通訊，實(shí)現(xiàn)集中、本地或異地管理，“三級(jí)設(shè)備”在整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中屬于被動(dòng)器件，市場(chǎng)上均有成熟產(chǎn)品。第一級(jí)的“云管理平臺(tái)”為組態(tài)軟件為平臺(tái)開發(fā)的管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的直觀顯示、遠(yuǎn)程控制、應(yīng)急處置，完成系統(tǒng)的記錄、操作、監(jiān)控、報(bào)警和數(shù)據(jù)報(bào)表生成等功能。第二級(jí)的“控制單元”為本控制系統(tǒng)的研發(fā)重點(diǎn)，側(cè)重“控制單元”智能的控制算法，可以獨(dú)立于“云管理平臺(tái)”，判斷采集信號(hào)的特征，根據(jù)模糊控制模型，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的控制輸出。由于本系統(tǒng)的傳感器輸入量較多、控制輸出也較多，很難在一個(gè)模糊控制模型中解決，因此本系統(tǒng)采用分段實(shí)施多輸入單輸出的控制模型，以溫度差ΔT（室內(nèi)溫度—室外溫度）和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)M的值為分段檢測(cè)量，見表1所示。

表1 溫內(nèi)外溫差與CO2對(duì)應(yīng)表

模糊控制模型A：控制模型以溫度差值ΔT（室內(nèi)實(shí)際溫度和設(shè)定溫度）為輸入，以空調(diào)制冷效率為輸出的單輸入單輸出模糊控制模型。此模型較為簡(jiǎn)單，可由專家?guī)熘苯佑成錇榭照{(diào)控制輸出的控制模型，本文不給予詳細(xì)闡述。

模糊控制模型B：控制模型以溫度差值ΔT（室內(nèi)實(shí)際溫度和設(shè)定溫度）和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為輸入，以風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為控制輸出，構(gòu)成兩輸入模糊控制模型。

1 模糊輸入項(xiàng)的選定

本系統(tǒng)要解決室內(nèi)溫度高和空氣悶的問題。因此要選擇溫度差和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)。理由如下：

1）人的最舒適環(huán)境溫度范圍為18～23℃，也是計(jì)算機(jī)最佳工作溫度范圍，因此環(huán)境溫度是非常直觀的輸入量，該溫度值可采用多點(diǎn)采樣，然后再取平均值作為模糊輸入項(xiàng)。

2）室內(nèi)空氣悶，既可以用O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)也可以用CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)來衡量，考慮O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)傳感器價(jià)格因素，本系統(tǒng)選擇CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為模糊輸入量。

2 模糊控制方法

本系統(tǒng)的模糊控制實(shí)現(xiàn)是通過檢測(cè)環(huán)境溫度和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為模糊輸入，經(jīng)由模糊控制器變成控制風(fēng)機(jī)的輸出，構(gòu)成雙輸入單輸出的控制系統(tǒng)模型，如圖2所示。

其中：G1、G2是CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)（μg·kg－1）和溫度（攝氏度）的量化因子，G3是控制量Y的比例因子。根據(jù)模糊控制理論，分別對(duì)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)（簡(jiǎn)寫為N）、溫度（簡(jiǎn)寫為T）進(jìn)行模糊化，各量的模糊劃分方法如下：

圖2 實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)模糊控制系統(tǒng)模型

將輸入量T分為5個(gè)模糊狀態(tài)：VS（非常?。（?。（中）、L（大）、VL（非常大）；對(duì)應(yīng)的模糊化論域?yàn)闇囟戎?，其值?8、19、20、21、22、23、24、25、26。由于評(píng)價(jià)的是人所處的環(huán)境，因此溫度的模糊化論域范圍在18～26℃之間。

將輸入量N分為5個(gè)模糊狀態(tài)：VS（非常小）、S（小）、M（中）、L（大）、VL（非常大）；對(duì)應(yīng)的模糊化論域?yàn)?CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)值，其值：350、500、750、900、1 250、1 550、2 000、2 500、3 000、4 000、5 000，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為350～1 000μg／kg表示空氣清新，呼吸順暢；為1 000～2 000μg／kg表示感覺空氣渾濁，并開始覺得昏昏欲睡；為2 000～5 000μg／kg表示感覺頭痛、嗜睡、呆滯、注意力無法集中、心跳加速、輕度惡心；大于5 000μg／kg表示可能導(dǎo)致嚴(yán)重缺氧，造成永久性腦損傷、昏迷、甚至死亡。

將輸出量Oi分成5個(gè)模糊狀態(tài)：VS（非常?。（?。?、M（中）、L（大）、VL（非常大）；對(duì)應(yīng)的模糊化論域?yàn)榕棚L(fēng)系統(tǒng)負(fù)荷百分比（風(fēng)量控制可以通過PWM控制、電壓控制、開閉時(shí)間、變頻等多種形式），其值為：0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1，也可以根據(jù)具體要求進(jìn)行更細(xì)致的劃分。

控制規(guī)則表的制定，可以更好地控制排風(fēng)量以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)要求，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)制定的規(guī)則表，見表2。

表2 規(guī)則控制表

上述規(guī)則控制表的原則是當(dāng)溫度很高、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)很大的時(shí)候，增大排風(fēng)風(fēng)量；當(dāng)溫度很低、CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)很小時(shí)，減少排風(fēng)風(fēng)量。

應(yīng)用Mamdani的強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法推理求出模糊量C′：對(duì) 于 Ri 而 言，μCi′ ＝ min（μAi（x），μBi（y），μCi），以上控制表存在25種控制規(guī)則，有：C＝max（C1′，C2′，……，C25′），其中Ai、Bi表示輸入的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度模糊量，Ci是利用Ai、Bi查規(guī)則控制表得到的輸出模糊量；μAi（x），μBi（y），μCi分別是Ai（x），Bi（y），Ci的隸屬度。

用重心法將模糊量C精確化得到C＊：

其中Ui為模糊論域中的模糊集合，根據(jù)Mamdani的強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法和重心法規(guī)則，對(duì)2組輸入量的模糊論域按照此規(guī)則進(jìn)行處理，得到模糊控制表，見表3。

表3 模糊控制表

教學(xué)機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)的模糊控制就是利用這張表，在實(shí)現(xiàn)模糊控制器時(shí)，把控制表存入ROM中，將控制器進(jìn)行模糊控制的算法歸結(jié)為查表運(yùn)算。每次根據(jù)輸入量的不同組合進(jìn)行查表求出控制量的大小。

3 教學(xué)機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

教學(xué)機(jī)房通風(fēng)控制系統(tǒng)采用西門子S7－200系列中的CPU 224可編程控制器，該控制器具備24個(gè)數(shù)字量I／O點(diǎn)（最大擴(kuò)展至168路），256個(gè)定時(shí)器，16k字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，是具有較強(qiáng)控制能力和擴(kuò)展能力的控制器。

CPU224搭配模擬量擴(kuò)展模塊（EM235）和溫度采集模塊（EM231）可充分應(yīng)對(duì)本系統(tǒng)的控制。人機(jī)交互界面上采用工控機(jī)AK070W，基于組態(tài)軟件快速開發(fā)，可形成界面友好、穩(wěn)定的完整自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上兼顧了模糊控制的需求，同時(shí)也增加了冗余備份機(jī)制，如“通風(fēng)手動(dòng)控制”開關(guān)可以手動(dòng)開啟“教學(xué)機(jī)房”滿功率通風(fēng)；除了必備的傳感器信息之外，還采集了O2含量；在CPU224輸出上，除了“通風(fēng)電機(jī)”控制，還增加了“危險(xiǎn)報(bào)警”“故障報(bào)警”等。硬件系統(tǒng)為差異化定制提供了豐富的資源。

4 軟件控制流程圖

CPU224的流程采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主程序（圖4）和中斷程序（圖5），其中主程序執(zhí)行模糊查表，執(zhí)行通風(fēng)控制，在“教學(xué)機(jī)房”風(fēng)險(xiǎn)較高時(shí)，不允許進(jìn)入“教學(xué)機(jī)房”內(nèi)。中斷程序主要進(jìn)行時(shí)間管理和傳感器信息采集，盡可能短的占用系統(tǒng)時(shí)間。

工控觸摸屏AK070W主要負(fù)責(zé)用戶權(quán)限管理和實(shí)驗(yàn)過程信息顯示，不在這里詳細(xì)描述。

圖4 CPU224主程序

圖5 CPU224中斷程序

5 運(yùn)行結(jié)果

本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于教學(xué)機(jī)房，機(jī)房使用面積200m2，空調(diào)裝機(jī)功率為32kW，年用電節(jié)約52 992kW·h，室內(nèi)空氣指標(biāo)一直處于優(yōu)良狀態(tài)（CO2的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于400μg／kg。教學(xué)機(jī)房的改造成本低于20 000元，年節(jié)省電費(fèi)約37 000元。溫度監(jiān)控指標(biāo)數(shù)據(jù)如圖6所示，教學(xué)機(jī)房室內(nèi)CO2含量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 2013年5月至2014年5月長(zhǎng)春地區(qū)室內(nèi)外溫度圖

圖7 2014年5月教學(xué)機(jī)房?jī)?nèi)CO2含量

6 結(jié)語

本文針對(duì)教學(xué)機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)目前存在的耗能高的缺點(diǎn)，利用雙輸入單輸出的模糊控制模型檢測(cè)環(huán)境中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度的實(shí)時(shí)變化狀態(tài)完成了輸入量及輸出量的模糊化，設(shè)計(jì)出精確的控制表，取得了非常好的效果。實(shí)踐證明，采用模糊控制方式的通風(fēng)系統(tǒng)更節(jié)能，環(huán)境更舒適，具備將此方法推廣至其他領(lǐng)域的前景。

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