中央空调房间温度模糊控制器的设计

    摘要：提出了一套中央空调房间温度控制器的设计方案。针对对象的大惯性、大迟延特点，采用串级控制方式；针对对象的非线性和不确定性，主控制器采用模糊控制加积分的控制方式，取得了较好的控制效果。给出了控制器的硬件设计方案，并对使用单片机控制直流电机的原理进行了说明。

    关键词：中央空调 温度 模糊控制 单片机

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。在每一个空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大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十全十美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，以克服在对象的迟延；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。

1.3 模糊控制器设计

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原因是ΔT，即房间温度和冷却水温度的差值。当ΔT增加时，对象的增益就增大；ΔT减小时，对象增益随之减小。在控制中取误差信号为：E=(Tg-Ts)/(Tw-Ts)，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=-<(E+EC)/2>     (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，进一步采用了一种带调整因子的控制规则：

u=-<αE+(1-α)EC> α∈（0，1）    （3）

α=1/N(α,- α0)|E|+α0 0≤α0≤αs≤1；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。

控制变量在论域内模糊化，采用的是一般的方法，这里不再述。

1.4 系统仿真实验

系统采用MATLAB平台下的SIMULINK进行仿真。图3给出了本控制系统和PID控制器的阶跃响应曲线。图4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。

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。

2 系统硬件电路设计

2.1 单片机系统设计

单片机选择ST62T01C单片机，主要特点如下：电源电压范围为3.0～6.0V；最大时钟频率为8MHz；工作温度范围为-40～+125℃；2K字节EPROM，64字节RAM；4路模拟输入 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/℃。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0.8℃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，不用过多考虑编辑的问题。

    2.2 直流电机控制电路

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，并且电机有着更高效率。

图5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，电路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就输出功率P建立了确定的对应关系，如图6（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，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。

    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。

和单独的空间相比，中央空调具有制冷热效率高、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。