基于ARM的冰蓄冷空調系統控制研究

宋 池

（江蘇柏誠工程股份有限公司，江蘇 無錫 214072）

0 引言

中央空調系統是智能建筑創造舒適、高效的工作和生活環境不可缺少的重要設備。中央空調系統的自動控制在智能建筑樓宇自動化系統中占有非常重要的地位。自20世紀70年代世界能源危機以來，各國政府都十分重視開發新能源與“節省能源”，促使了蓄冷技術的迅速發展。冰蓄冷是中央空調制冷的一種方式。冰蓄冷空調不僅使電力負荷“削峰填谷”，提高發電設備的年利用率，也保證制冷機組滿負荷高效率運行，降低空調系統的運行費用，帶來了顯著的社會效益和經濟效益[1-3]。

中央空調傳統的控制方法是采用直接數字控制器（DDC）方式，將各個溫度、濕度檢測點和控制點連接到1臺或多臺DDC，實行多點實時監控。采用DDC方式進行控制具有引線過長、施工不便及系統通信的實時性和可靠性不高等缺點。為此可采用CAN總線技術設計中央空調控制系統[4]。

1 系統介紹

冰蓄冷空調就是在夜間電網低谷時期開啟制冷機制冷，由蓄冷設備將冷量以冰的形式儲存起來，在白天電網峰時段冰融化釋放冷量，用以滿足部分或全部供冷要求，使制冷機少開甚至不開，從而達到電網的削峰填谷目的。冰蓄冷空調系統框圖如圖1所示[1]。

系統采用分布式監控方案，主要包括操作站（上位機）和現場采集控制系統。上位機負責系統數據的接收與管理，控制命令的發送及系統工作過程的實時顯示等。各單元控制器作為下位機（采用ARM微控制器）負責現場溫度的檢測采集及閥門工作狀態的控制等。單元控制器內的CAN控制器負責接收來自CAN總線的數據以及通過CAN總線向上位機發送數據。上位機通過插在PC總線擴展槽內的智能CAN總線通信適配卡連接CAN總線與各單元控制器。圖2是本控制系統的框圖。

2 控制系統硬件設計

由于數字式溫度傳感器更適用于與各種微處理接口組成的自動溫度控制系統，可以克服模擬傳感器與微處理接口時需要信號調理電路和A/D轉換器的不足之處。故溫度檢測裝置采用DS18B20單總線數字式溫度傳感器，可以把溫度值直接轉換成數字量，其輸入量程為-55～＋125 ℃。

2.1 控制器的選擇

CAN總線廣泛用于離散控制領域，其總線規范也已被ISO國際標準組織制定為國際標準。

CAN的信號傳輸采用短幀結構，傳輸時間短，具有自動關閉功能，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線仲裁技術，通過設置優先級來避免沖突，通訊距離最遠可達10 km（5 kbps），通訊速率最高可達1 Mbps（40 m），網絡節點數實際可達110個。

故系統采用CAN總線進行系統通信。因此也選用了帶CAN控制器的ARM微控制器LPC2119。

LPC2119基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM 7TDMI-STM CPU，并帶有128/256k字節嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過30%，而性能的損失卻很小。

由于LPC2119非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、2路CAN、M通道、46個GPIO以及多達9個外部中斷使它們特別適用于汽車、工業控制應用以及醫療系統和容錯維護總線。由于內置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網關、協議轉換器以及其他各種類型的應用[5]。

2.2 CAN接口板設計

LPC2119雖然內嵌CAN控制器，但必須與CAN收發器連接才能具備收發功能。首先，CAN收發器把CAN控制器的邏輯電平轉換成抗干擾能力強的差分電平，然后往CAN總線上發送；接收時剛好相反，CAN收發器接收到CAN總線的信號后，轉換成邏輯電平送給CAN控制器，完成接收過程。在本系統中，實現這一功能的器件即CAN總線驅動器82C250。

82C250是Philips公司的CAN總線驅動器，是CAN控制器與物理總線之間的接口。器件可以提供對總線的差動發送和接收功能。表1是其引腳功能說明。

EasyARM 2100開發板可以很方便地與CAN接口板連接，組成完整的CAN節點。CAN接口板的原理圖如圖3所示。

表1 82C250引腳說明

2.3 閥門控制電路設計

閥門控制電路原理圖如圖4所示。

閥門是由4～20 mA電流驅動，因此必須把微控制器輸出的數字量轉化成模擬量輸出。由于選用的ARM微控制器LPC2119不帶D/A轉換功能，必須另外選擇D/A芯片進行D/A轉換。系統選用I2C總線接口的D/A轉換芯片DAC6573。由于該D/A芯片是電壓輸出，還需進行V/I轉換，在此選用V/I轉換芯片AD694。

DAC6573是低功耗、4通道、10位電壓輸出的DAC，使用I2C兩線串行接口，在總線上最多可擴展到16片，即64通道。

AD694是AD公司推出的電壓電流轉換芯片，0～2 V/0～10 V輸入、0～20 mA/4～20 mA輸出，4.5～36 V寬范圍電源供電，提供精確的2 V或10 V基準電壓。

3 控制方案

本設計的被控對象是空調房間，輸入量是冷卻水流量，輸出量是房間內溫度。由操作經驗可知，被控對象是一個大滯后、非線性、時變的復雜控制對象，難以確定精確的數學模型，所以采用積分分離PID控制算法。即在偏差較大時，采用PD控制，可避免過大的超調，又使系統有較快的響應；在偏差較小時，采用PID控制，可保證系統的控制精度[6]。

在普通的PID數字控制器中引入積分環節的目的，主要是為了消除靜差、提高精度。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定值時，短時間內系統輸出有很大的偏差，會造成PID運算的積分積累，致使算得的控制量超過執行機構可能最大動作范圍對應的極限控制量，最終引起系統較大的超調，甚至引起系統的振蕩，這是某些生產過程中絕對不允許的。引進積分分離PID控制算法，既保持了積分作用，又減少了超調量，使得控制性能有了較大的改善。其具體實現如下：

（1）根據實際情況，認為設定一閥門閾值ε＞0。

（2）當|e（k）|＞ε時，也即偏差值|ε（k）|比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調，又使系統有較快的響應。

（3）當|e（k）|≤ε時，也即偏差值|ε（k）|比較小時，采用PID控制，可保證系統的控制精度。

寫成計算公式，可在積分項乘一個系數β，β按下式取值：

以位置式PID算式為例，寫成積分分離形式為：

當|e（k）|＞ε時，即β=0，進行PD控制，PD控制算法為：

其中：

當|e（k）|≤ε時，取β=1，進行PID控制，PID控制的算法采用增量式PID控制算法，即：

其中：

通過式（1）、（2），便可編制出計算機控制程序，其流程圖如圖5所示。

4 實驗波形

根據設計搭建電路進行實驗驗證，主要實驗結果如下：

4.1 CAN總線通信實驗數據與波形

在實驗中，對CAN總線通信程序進行測試。利用CAN總線發送數據“00 01 02 03 04 05 06 07”到上位機，在CANTEST測試軟件窗口中能接收到該數據幀，并測得相應的波形，如圖6所示。

4.2 I2C總線數據傳輸波形測量

在實驗中，對I2C總線發送數據進行測試。圖7是利用I2C總線對DAC6573發送數據“3FF”時測得的波形。波形圖中1代表SDA線上的波形，2代表SCL線上的波形。

5 結語

本文采用ARM器件作為冰蓄冷空調系統電氣控制的控制部件，選用I2C總線接口的D/A轉換芯片和V/I轉換芯片，設計了閥門控制等硬件電路和控制程序，并由實驗證實了控制電路及程序的正確性。對冰蓄冷空調系統的控制起到了非常好的控制效果。

[1] 嚴德隆，張維君.空調蓄冷應用技術[M].北京：中國建筑工業出版社，1997

[2] 楊曉軍.冰蓄冷空調控制系統的設計與應用[D].西安：西安理工大學，2007

[3] 梅海峰.考慮負荷影響的空調冰蓄冷系統的優化運行[D].上海：東華大學，2006

[4] 林勇.CAN總線在中央空調控制系統中的應用[J].電子技術應用，2001，27（7）：33～34

[5] 周立功.ARM微控制器基礎與實戰[M].第2版.北京：北京航空航天大學出版社，2005

[6] 陶永華.新型PID控制及其應用[M].第2版.北京：機械工業出版社，2002