中央空调温度模糊控制器的设计

凌双明，彭小平

（1．湖南信息科学职业学院，湖南长沙410151;2．湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082; 3．长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410124）

中央空调温度模糊控制器的设计

凌双明1，2，彭小平3

（1．湖南信息科学职业学院，湖南长沙410151;2．湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082; 3．长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410124）

介绍中央空调房间温度控制器的温控原理，提出一种通过单片机89C52控制系统在空调温度控制中实现模糊PID控制器的设计，给出控制器的硬件设计方案和软件设计方案，详细介绍主控制器采用模糊控制的工作方式，通过仿真可以看出控制器有较好的控制效果。

中央空调;温度;模糊控制;单片机

中央空调房间温度控制器的智能控制技术实现模糊PID温度控制，根据设定的温度和房间的冷热负荷自动调节风机盘管的风量以控制冷热交换量，实现房间温度的控制并具有耗能低，控温精度高等特点。无阀式中央空调房间温度控制器，是新一代中央空调系统专用末端控制装置。它彻底抛弃结构复杂又容易损坏的电动水阀，可适用于所有的单相三速风机盘管作控制器，使被控房间的温度维持在用户设置的温度左右，提高了中央空调的品质和效率。［1］中央空调房间的温度控制过去一直依赖温控电动阀。其使用寿命大多数在1～3年，因为我国的工业用水硬度高，在管道中极易结垢而造成损坏。无阀式温控制器以调风取代调水，解决了这一难题并有两大优点：一是全自动智能控制，控温精度高，温度无级调节，操作简单方便;二是自动调节，并能根据房间冷热负荷和预置的温度随时调节风机盘管的冷热量输出，省电节能。

1 整体设计

1．1 性能指标

要求达到的性能指标为：控温范围：5℃～38℃;控温精度：±0．5℃;温度设置范围：5℃～38℃;采用薄膜按键及液晶显示屏作为人机操作界面;具有手动与自动控制两种功能。

1．2 采用的控制策略

本文采用模糊自适应整定PID控制来实现温度的控制。模糊逻辑控制（FLC）是已经成功地应用在空调系统中。与传统控制方法相比，FLC对环境干扰、过程参数变化等具有较强的鲁棒性，工作范围宽，适用范围广并能抑制非线性因素对控制器的影响。不依赖于对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对象，可以利用人的经验知识来设计模糊控制器，从而完成控制任务，［2］而传统的控制方法都要已知被控对象的数学模型才能设计控制器。模糊控制器的工作原理如图1所示。

图1 模糊控制器的工作原理

1．3 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2所示。

图2 房间空调系统示意

2 系统硬件设计

系统硬件如图3所示，温控的硬件是采用单片机89C52来作为模糊控制系统的模糊控制器。温度传感器为负温度系数热敏电阻（NTC），与平衡电桥将温度的变化转变成电压的变化，并与ADC0809转换器直接连接，要求0．5℃的测温分辨率。89C52根据温度的变化及趋势，输出占空比可调的脉宽调制（PWM）信号，经光电耦合器隔离，输出控制信号控制可控硅导通，从而控制中央空调风机的转速，达到调温，控温的目的。人机操作界面采用薄膜按键及液晶显示屏，配有手动和自动切换。

图3 中央空调室内温度控制原理框图

3 软件设计

3．1 模糊控制系统的设计

软件采用模糊控制策略，模糊控制系统是一种自动控制系统，模糊控制不需要建立精确的数学模型，模糊理论将经验知识、思维推理，控制过程的方法与策略是由所谓模糊控制器来实现。［3］模糊控制系统组成具有常规计算机控制系统的结构形式，模糊控制系统通常由模糊控制器、输入/输出接口、执行机构、被控对象和测量装置等五个部分组成，如图4所示。

图4 模糊控制系统组成框图

对受控的工业对象进行系统分析，确定控制器的输入变与输出变量，根据实际过程的需要建立物理模型，确定控制器结构设计方案。

3．2 模糊规则设计

将输入变量数值用模糊语言变量的语言模糊化处理，以实现调节和控制作用。在实际控制过程中，将一个温度记输入语言变量e和ec的论域为X∈（－3，3），温差E和EC定义为7个模糊子集{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，表示符号{NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}。既将X划分为7个等级。需要控制器对温度的变化较灵敏，因此采用三角形隶属函数。其隶属函数通常选用三角形或梯形分布，由隶属函数图可确定输入数值相应的隶属度。［4］

1）当e较大时，为使系统具有较好的跟踪性能，应取较大的Kp和较小的Kd，同时为避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常Ki=0;

2）当e处于中等大小时，为使系统响应具有较小的超调Kp应取得小些。在这种情况下，Kd的取值对系统响应的影响较大，Ki的取值要适当;

3）当e较小时，为使系统具有较好的稳定性能，Kp与Ki均应取得大些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，Kd值的选择根据ec值较大时，Kd取较小值，通常Kd为中等大小。

根据上述的PID参数整定原则及专家经验，可以列出输出变量Kp与Ki的控制规则表（见表1、表2）。确定语言控制规则是模糊控制器设计的核心工作，控制规则的多少视输人及输出物理量数目及所需的控制精度而定。所设计的模糊控制器需多次检验和修正调整。当系统误差和误差变化率较大时，采用模糊控制策略，使系统尽快减小其误差和误差变化率;而当系统运行至稳态工作点附近时，则采用PID控制，并根据系统所处的状态要求控制大能自动切换，能够消除系统稳态误差。［5］

表1 Kp规则表

表2 Ki规则表

4 结束语

系统采用MATLAB平台下的SIMULINK进行仿真。图5给出了与PID控制器控制效果的比较。

图5 模糊控制器与PID控制器控制效果比较图

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。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。

［1］张国忠．智能控制系统及应用［M］．北京：中国电力出版社，2007．

［2］刘东利，王延耀，张建勇．神经网络模糊PID算法在温室温度控制中的仿真研究［J］．农机化研究，2006，（10）：70－72．

［3］靳兆荣，徐敏杰，魏学良．基于模糊决策的自动喷灌控制器的设计［J］．排灌机械，2004，（5）：26－28．

［4］胥芳，盛军强，陈教料．基于MATLAB的温室温度模糊专家控制仿真研究系统［J］．仿真学报，2007，（11）： 2464－2466．

［5］齐学义，蔡艾江，吴疆．变风量空调系统模糊PID控制的仿真［J］．江苏大学学报（自然科学版），2005，（4）： 365－368．

［编校：刘敏］

Design of Tem perature Fuzzy Controller for Central Air Conditioning

LING Shuangming1，2，PENG Xiaoping3
（1．Hunan Information Science Vocational College，Changsha Hunan 410151;
2．College of Electric and Information Engineering，Hunan University，Changsha Hunan 410082;
3．Changsha Aeronautical Vocational and Technical College，Changsha Hunan 410124）

This paper introduces the temperature controlled theory of central air conditioner－room temperature controller，and proposes a kind of design to implement the fuzzy－PID controller by single－chip 89C52 control system in air conditioning temperature control．This paper proposes the controller＇s hardware design and software design，and also introduces in detail themain controller＇s work method by using fuzzy control．This controller has a good control effect in the simulation．

central air conditioning;temperature;fuzzy control;single－chip

TP303

A

1671－9654（2011）01－052－03

2011－02－23

凌双明（1983－），女，湖南长沙人，助理实验师，在读硕士研究生，研究方向为嵌入式技术。