基于STM32微處理的空調(diào)末端控制器的設(shè)計(jì)

宋艷芳

摘要：采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建溫濕度采集網(wǎng)絡(luò)，改善目前中央空調(diào)末端控制器有線、單點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集方式，充分利用其靈活性和可擴(kuò)展性，使之能無線采集空調(diào)房間內(nèi)多點(diǎn)溫濕度，以獲得更加準(zhǔn)確的空間溫濕度，提高數(shù)據(jù)采集的靈活性與準(zhǔn)確性。利用嵌入式系統(tǒng)的多線程任務(wù)管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)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(guān)鍵詞：無線傳感器；中央空調(diào)末端；控制器

1、引言

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是以節(jié)能為目的發(fā)展起來的一種空調(diào)系統(tǒng)形式，它的設(shè)計(jì)是真正基于逐時(shí)負(fù)荷的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)節(jié)分配到各區(qū)域的送風(fēng)量或供冷"供熱量，系統(tǒng)總送風(fēng)量為各時(shí)段中所有區(qū)域要求的風(fēng)量之和的最大值，而不是通常定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所有區(qū)域在各時(shí)段要求的風(fēng)量的最大值之和！前者通常只占后者的70%-90%，因此，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)可顯著減少系統(tǒng)總送風(fēng)量和裝機(jī)容量，達(dá)到節(jié)能和減少投資的目的！

2、實(shí)驗(yàn)條件與方法

實(shí)驗(yàn)材料：PID控制器、硬盤和無線網(wǎng)卡、MATLAB/Simulink

實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備： 變風(fēng)量空調(diào)試驗(yàn)臺、硬盤和無線網(wǎng)卡

實(shí)驗(yàn)方案：對變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)末端系統(tǒng)，進(jìn)行了深入的研究。基于變風(fēng)量空調(diào)實(shí)驗(yàn)室平臺，通過大量的實(shí)驗(yàn)，建立論文變風(fēng)量末端系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證其可靠性。根據(jù)變風(fēng)量末端系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)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(jié)果。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1變風(fēng)量空調(diào)末端硬件分析

變風(fēng)量空調(diào)實(shí)驗(yàn)室的末端系統(tǒng)主要設(shè)備有VAVBOX（含末端控制器和風(fēng)閥執(zhí)行器）及其供電和通訊電力電子系統(tǒng)組成。在對變風(fēng)量實(shí)驗(yàn)室末端研究的過程中，應(yīng)用研華電壓板產(chǎn)生一控制電壓信號和采集風(fēng)閥開度反饋電壓信號。應(yīng)用總線式的通訊架構(gòu)輪詢每個房間的末端控制器，實(shí)時(shí)讀取溫度、壓差、開度信號。VAV末端系統(tǒng)是由房間操作面板和安裝在VAVBOX箱內(nèi)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(nèi)的實(shí)時(shí)溫度值和人工輸入的房間溫度設(shè)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(fēng)閥的開度以此來改變送入房間風(fēng)量的自控設(shè)備。VAV末端控制器與安裝在房間內(nèi)的操作面板通訊，實(shí)時(shí)獲取溫度設(shè)定值和房間實(shí)際溫度值，同時(shí)通過安裝在風(fēng)管上的兩根畢托管測量靜壓和全壓計(jì)算送風(fēng)壓差。根據(jù)檢測到的房間設(shè)定溫度和實(shí)時(shí)溫度、送風(fēng)風(fēng)壓來調(diào)節(jié)輸出到風(fēng)閥控制端的電壓大小，以此來調(diào)節(jié)送風(fēng)風(fēng)量?？刂扑惴ㄊ峭ㄟ^末端控制器內(nèi)的程序來實(shí)現(xiàn)的。VAV末端風(fēng)閥是整個末端系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其開度是由2-10V的電壓來控制；對應(yīng)的開度反饋是0-5V的電壓信號。為了進(jìn)一步了解執(zhí)行器的運(yùn)行情況，決定采用階躍相應(yīng)的方法來確定其響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)和有無靜差的情況。

3.2變風(fēng)量中央空調(diào)末端控制器算法研究

變風(fēng)量中央空調(diào)各室內(nèi)風(fēng)量的調(diào)節(jié)是通過末端裝置來實(shí)現(xiàn)的，用以補(bǔ)償室內(nèi)負(fù)荷的變動。壓力無關(guān)型的變風(fēng)量空調(diào)末端控制器在結(jié)構(gòu)上與壓力有關(guān)型的控制器在空氣進(jìn)入處配置了壓差傳感器或者風(fēng)量傳感器。當(dāng)用戶給定一個溫度設(shè)定值是，外環(huán)路的溫度控制器首先起作用，調(diào)節(jié)風(fēng)閥，使室內(nèi)溫度盡快達(dá)到設(shè)定值當(dāng)系統(tǒng)靜壓發(fā)生變化造成進(jìn)入入口處的靜壓發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)環(huán)路的壓差控制器風(fēng)量控制器適量的調(diào)節(jié)風(fēng)閥開度以維持原來系統(tǒng)靜壓變化前的風(fēng)量不變。因此壓力無關(guān)型的變風(fēng)量末端有補(bǔ)償系統(tǒng)壓力變化的功能。對于發(fā)生在副回路的增益變化和被控對象產(chǎn)生的相位滯后，副回路本身具有抑制作用，而且同時(shí)也可以改善主回路的響應(yīng)速度。在變風(fēng)量中央空調(diào)的末端控制器的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中，內(nèi)環(huán)采用調(diào)節(jié)器，外環(huán)采用調(diào)節(jié)器。對于內(nèi)環(huán)路參數(shù)和參數(shù)的整定，采用單純型法做參數(shù)粗調(diào)，然后再用工程整定法做細(xì)調(diào)。而外環(huán)路的三參數(shù)則采用工程整定法來確定。

現(xiàn)在對內(nèi)環(huán)路的被控對象來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出一組最優(yōu)的設(shè)計(jì)變量以使目標(biāo)函數(shù)取值最小，因而從數(shù)學(xué)的角度上來看就是取極值的問題，而工程上稱之為“參數(shù)尋優(yōu)問題.外環(huán)路溫度控制器參數(shù)的整定。應(yīng)用算法來仿真外環(huán)路控制器，仿真結(jié)構(gòu)圖如下

應(yīng)用模糊算法的串級控制仿真：因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求為無靜差控制系統(tǒng)，而被控對象具有慣性特征，為了達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，采用模糊控制器既將串級控制系統(tǒng)的外環(huán)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(shè)計(jì)的模糊控制器導(dǎo)入到串級控制仿真中，用模糊控制器來代替串級外環(huán)路控制器，調(diào)整模糊PID控制器的四個參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到滿意的效果。系統(tǒng)仿真圖如下：

4、結(jié)論

首先對變風(fēng)量空調(diào)末端的組成及控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件分析，設(shè)計(jì)了其控制的原理，研究了變風(fēng)量中央空調(diào)末端控制器的算法研究。包括PID控制仿真和參數(shù)調(diào)節(jié)，內(nèi)循環(huán)壓差控制器和外環(huán)路溫度控制器PID參數(shù)的整定。并對模糊控制算法的串級控制仿真。對比應(yīng)用PID算法和模糊控制理論設(shè)計(jì)的控制器的控制效果。應(yīng)用模糊PD控制加積分環(huán)節(jié)消除靜差的思想設(shè)計(jì)了更具針對性的模糊控制器。

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2017全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：201713324060。