中央空调房间温度模糊控制器的设计

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。

1 系统控制方法

1.1 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1所示。

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℃、环境温度为36℃时,风机转速由0%加到100%,实验得到的对象的传递函数可为:

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。故上面得到的传递函数只能被看作是近似的表示。

1.2 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2所示。

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。