變風量中央空調智能PID 控制系統設計研究

王攀藻，張 華

（四川旅游學院 四川 成都 610100）

當前我國旅游業蓬勃發展，游客對星級酒店的服務質量要求越來越高， 酒店內空氣質量基本全靠中央空調系統（HVAC）進行調控，HVAC 系統是一個多干擾、控制滯后的自控系統，如果控制方式不到位，往往不能滿足指標的要求，甚至會出現互相矛盾的現象，控制系統發出控制信號后，到被控房間溫、濕度達到設定值，有一個滯后的時間段，中途還會受到其它情況干擾，有時提高了系統的工作穩定性，控制精度卻又無法達標，針對這種情況，本文采用智能PID 控制模式對系統單位負反饋誤差信號進行計算，并進行校正，輸出控制結果能夠滿足客房、 大堂等溫濕度指標的要求， 設計出的PID控制器能改善系統的穩定性，提高系統動態效應，耗能低，體現出酒店的智慧性。

1 智能PID 簡介

智能控制是動態系統過程控制中正在發展的一個方向，它不完全依靠被控對象的模型， 而是依靠模擬人的經驗和知識來判定、修正控制規律，使控制模式更適合對象，控制結果更佳，現分為專家型控制、模糊控制和神經網絡控制等類型。智能PID[1]是利用智能控制模式實時控制PID 控制模式和參數修正，主要是根據輸入值、輸出值、偏差值、偏差變化率等形成的一種產生式規則， 將人的豐富操作經驗和PID 控制良好的適應性和穩定性相結合，產生好的控制效果。

2 系統總體設計方案

本系統包括專家控制系統、傳感系統和通信系統等，構建了以專家型智能PID 控制算法[2]為核心的控制系統，系統總體設計框圖如圖1 所示。 星級酒店中央空調智能PID 控制系統主要由，溫、濕度采集器，PID 算法控制模塊，增濕器模塊，變頻器控制模塊，上位機通信模塊和溫濕度設定值模塊等組成。PID 控制算法模塊是采用專家系統模式對中央空調系統領域，以專家水平解決中央空調系統中專門任務的計算器系統，其內部寫入該領域中大量專家水平的知識與經驗，利用專家的知識和解決問題的方法來解決問題， 采用規則PID 控制形式，通過對中央空調系統誤差和系統輸出的識別，以了解被控對象過程動態特性的變化，在線調整PID 3 個參數，直到過程的響應曲線為最佳響應曲線。根據溫、濕度設定值和溫濕度傳感器采集回來的當前溫、濕度值進行專家控制解算，獲得增濕器濕度控制量和軸流風機的轉速控制量， 控制中央空調風道的溫、濕度和風量，從而使酒店被控空間的溫、濕度達到設定的精確值。

圖1 專家型PID 控制器總體設計Fig. 1 The overall design diagram expert PID controller

3 系統硬件部分設計

本部分設計的功能主要完成被控客房等空間的溫、濕度采集輸入、分析、計算、顯示和控制輸出信號以及對上位機通信等，結構如圖2 所示。 其核心PID 控制算法模塊的任務是將溫濕度傳感器采集的模擬信號，轉換成數字信號，在單片機內經過分析、計算，把執行信號分別輸送給增濕器和變頻器，同時把實時信號上傳給上位機，進行保存，用于系統辨識和控制參數確定。

PID 控制算法模塊使用ARM 單片機[3]STM32F107VCT6，與上位機、溫濕度之間的通信，依靠RS485 通信模塊完成，增濕器模塊采用斯普柯林公司KL220V-S06 電極增濕器濕器，溫、濕度傳感數據采集模塊使用SHT1x 數字溫濕度傳感器--MODBUS-RTU 型，變頻器控制模塊使用西門子通用變頻器。

圖2 系統硬件結構Fig. 2 The hardware structure diagram

本文使用的STM32F107VCT6 是專家型PID 控制算法的計算開發平臺，主頻100MHz，內部含有256K 字節的Flash 和64K 字節的SRM，用于參數保存，計數器數12 個，PWM 通道數20 個，輸入/輸出線數90，1 個RS485 接口，用于與上位機、溫濕度傳感器和變頻器通信，2 路DAC 數模轉換接口， 用于控制增濕器的加濕量。 內核采用ARM Cortex-M3 處理器，如圖3 所示，Cortex-M3 使用M：Thumb-2 ISA 子集， 包含所有基本的16 位和32 位Thumb-2 指令， 用于多媒體，SIMD，E(DSP) 和ARM 系統訪問的模塊除外， 外部中斷可配置為1～240 個，優先級位可配置為3～8 位，中斷優先級可動態地重新配置，8 個存儲器區，子區禁止功能(SRD)，實現對存儲器區的有效使用。 AHBLiteICode、DCode 和系統總線接口，APB 專用外設總線（PPB）接口，Bit band 支持，bit-band 的原子寫和讀訪問。當內核正在運行、被中止、或處于復位狀態時，能對系統中包括Cortex-M3 寄存器組在內的所有存儲器和寄存器進行調試訪問，串行線（SW-DP）或JTAG(JTAG-DP)調試訪問，或兩種都包括。 實時時鐘(RTC)獨立的看門狗定時器，可編程的接 口 支 持：Freescale SPI 總 線， National Semiconductor MICROWIRE 總線。

圖3 Cortex-M3 模塊框圖Fig. 3 The Cortex-M3 block diagram

KL220V-S06 電極增濕器濕器是斯普柯林公司最新研發出的一款針對中央空調主風道的電極加濕控制系統， 微電腦芯片中心控制， 具備智能PID 控制性能， 工作電壓AC220V/50－60HZ，控制板功耗小于5W，控制方式：比例0－10V 或4－20ma，高水位響應約5S，能夠根據信號的大小，自動調節加濕量（外部控制），或根據環境檢測濕度與設定值濕度的濕度差，按設定工作方式，輸出加濕量（本地控制）。

SHT1x 數字溫、 濕度傳感器采用通用的RS485，MODBUS－RTU 通訊協議，直接跟單片機聯機使用。 內置3 個MODBUS 寄存器。 從設備可以設置波特4 800,9 600,115 200 bps，格式8N1。

4 系統軟件部分設計

軟件部分編寫采用模塊化方式完成，如圖4 所示，對每一個模塊編程，便于調試和檢查，也便于每個模塊的擴展，系統軟件包含初始化模塊、通信模塊、數據處理模塊和按鍵掃描四部分，采用C 語言編程，編譯工具為Keil（V4.0），通過此Keil 和J－Link 工具可實現程序的編譯和在線調試[5]，專家系統軟件部分編寫流程圖如圖4 所示。

系統初始化軟件模塊，是為了在進入主程序之間，做好必要的準備工作。包含RS485 通信初始化；GPIO 口初始化，將4個GPIO 口初始化為上拉輸入；DAC 初始化， 將2 個DAC 通道中的一個激活，可輸出連續可調的電壓信號（0～3.3 V），用于控制增濕器；顯示初始化，設置顯示屏的顏色，固定字符的顯示等。

圖4 專家系統軟件編寫流程圖Fig. 4 System software design flow chart

通信軟件模塊與上位機的通信，向上位機發送數據：溫濕度設定值、當前值，PID 控制輸出量等；與溫濕度傳感器通信，采集溫濕度傳感器的溫度值和濕度值；與變頻器通信，通過與變頻器的通信來控制軸流風機的轉速。 所有數據乘100 按整數發送[6]，發送的格式見下表1 所示。

數據處理模塊對輸入的溫、 濕度等數據進行分析、 計算PID 算法模式處理，使輸出數據達到理想的精確值。流程圖如圖5 所示，軟件程序界面如圖6 所示。

表1 數據通信格式Tab.1 Data communication format

圖5 溫度處理流程圖Fig. 5 Temperature processing flow chart

5 結束語

圖6 軟件系統界面Fig. 6 Software system interface

變風量中央空調采用專家型智能PID[7－8]控制系統，具有接近人類控制參數的經驗的性能，能對酒店客房進行溫、濕度精確控制，提高空氣質量，專家型PID 控制器對于酒店中央空調這種滯后，非線性和多干擾的對象控制效果很好，同時該系統抗干擾能力強、操作簡單，在保證穩定性工作的前提下，提高控制精度的修正值。 控制系統使用ARMCortex－M3 處理器具有功耗低，性價比高，門數目少，中斷延遲短，調試成本低的特點，能快速中斷響應和深度嵌入式應用，能提高星級酒店中央空調降耗、節能，實現綠色、智慧化。

[1] 熊景琪.計算機控制技術[M].北京：電子工業出版社，2005.

[2] 劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].北京：電子工業出版社，2013.

[3] 劉侃,張永泰,劉洛琨. ARM程序設計優化策略與技術[J].單片機與嵌入式系統應用, 2004(4):70-72 .LIU Kan, ZHANG Yong-tai,LIU Luo-kun.ARM program design optimization strategy and the technology of [J].microcontroller and embedded system application, 2004(4):70-72.

[4] 傅信主編.過程計算機控制系統[M].西安：西北工業大學出版社，1995.

[5] 王順晃，舒迪前編著.智能控制系統及應用[M].北京：機械工業出版社，1995.

[6] 王耀南.智能控制系統[M].長沙：湖南大學出版社，1996.

[7] 范振瑞.基于Matlab的PID溫度控制系統設計[J].電子科技，2013（8）：164-167.FAN Zhen-rui.Design of a matlab-based PID temperature control system [J].Electronic Science and Technology，2013（8）：164-167.

[8] 王俊.基于倒立擺的PID控制算法的研究[J].現代電子技術，2012（23）：152-154.WANG Jun.Real time facetracking system based on NiosⅡsoft core[J].Modern Electronics Technique，2012（23）：152-154.