变风量中央空调智能PID 控制系统设计研究

王攀藻，张 华

（四川旅游学院 四川 成都 610100）

当前我国旅游业蓬勃发展，游客对星级酒店的服务质量要求越来越高， 酒店内空气质量基本全靠中央空调系统（HVAC）进行调控，HVAC 系统是一个多干扰、控制滞后的自控系统，如果控制方式不到位，往往不能满足指标的要求，甚至会出现互相矛盾的现象，控制系统发出控制信号后，到被控房间温、湿度达到设定值，有一个滞后的时间段，中途还会受到其它情况干扰，有时提高了系统的工作稳定性，控制精度却又无法达标，针对这种情况，本文采用智能PID 控制模式对系统单位负反馈误差信号进行计算，并进行校正，输出控制结果能够满足客房、 大堂等温湿度指标的要求， 设计出的PID控制器能改善系统的稳定性，提高系统动态效应，耗能低，体现出酒店的智慧性。

1 智能PID 简介

智能控制是动态系统过程控制中正在发展的一个方向，它不完全依靠被控对象的模型， 而是依靠模拟人的经验和知识来判定、修正控制规律，使控制模式更适合对象，控制结果更佳，现分为专家型控制、模糊控制和神经网络控制等类型。智能PID[1]是利用智能控制模式实时控制PID 控制模式和参数修正，主要是根据输入值、输出值、偏差值、偏差变化率等形成的一种产生式规则， 将人的丰富操作经验和PID 控制良好的适应性和稳定性相结合，产生好的控制效果。

2 系统总体设计方案

本系统包括专家控制系统、传感系统和通信系统等，构建了以专家型智能PID 控制算法[2]为核心的控制系统，系统总体设计框图如图1 所示。 星级酒店中央空调智能PID 控制系统主要由，温、湿度采集器，PID 算法控制模块，增湿器模块，变频器控制模块，上位机通信模块和温湿度设定值模块等组成。PID 控制算法模块是采用专家系统模式对中央空调系统领域，以专家水平解决中央空调系统中专门任务的计算器系统，其内部写入该领域中大量专家水平的知识与经验，利用专家的知识和解决问题的方法来解决问题， 采用规则PID 控制形式，通过对中央空调系统误差和系统输出的识别，以了解被控对象过程动态特性的变化，在线调整PID 3 个参数，直到过程的响应曲线为最佳响应曲线。根据温、湿度设定值和温湿度传感器采集回来的当前温、湿度值进行专家控制解算，获得增湿器湿度控制量和轴流风机的转速控制量， 控制中央空调风道的温、湿度和风量，从而使酒店被控空间的温、湿度达到设定的精确值。

图1 专家型PID 控制器总体设计Fig. 1 The overall design diagram expert PID controller

3 系统硬件部分设计

本部分设计的功能主要完成被控客房等空间的温、湿度采集输入、分析、计算、显示和控制输出信号以及对上位机通信等，结构如图2 所示。 其核心PID 控制算法模块的任务是将温湿度传感器采集的模拟信号，转换成数字信号，在单片机内经过分析、计算，把执行信号分别输送给增湿器和变频器，同时把实时信号上传给上位机，进行保存，用于系统辨识和控制参数确定。

PID 控制算法模块使用ARM 单片机[3]STM32F107VCT6，与上位机、温湿度之间的通信，依靠RS485 通信模块完成，增湿器模块采用斯普柯林公司KL220V-S06 电极增湿器湿器，温、湿度传感数据采集模块使用SHT1x 数字温湿度传感器--MODBUS-RTU 型，变频器控制模块使用西门子通用变频器。

图2 系统硬件结构Fig. 2 The hardware structure diagram

本文使用的STM32F107VCT6 是专家型PID 控制算法的计算开发平台，主频100MHz，内部含有256K 字节的Flash 和64K 字节的SRM，用于参数保存，计数器数12 个，PWM 通道数20 个，输入/输出线数90，1 个RS485 接口，用于与上位机、温湿度传感器和变频器通信，2 路DAC 数模转换接口， 用于控制增湿器的加湿量。 内核采用ARM Cortex-M3 处理器，如图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， 用于多媒体，SIMD，E(DSP) 和ARM 系统访问的模块除外， 外部中断可配置为1～240 个，优先级位可配置为3～8 位，中断优先级可动态地重新配置，8 个存储器区，子区禁止功能(SRD)，实现对存储器区的有效使用。 AHBLiteICode、DCode 和系统总线接口，APB 专用外设总线（PPB）接口，Bit band 支持，bit-band 的原子写和读访问。当内核正在运行、被中止、或处于复位状态时，能对系统中包括Cortex-M3 寄存器组在内的所有存储器和寄存器进行调试访问，串行线（SW-DP）或JTAG(JTAG-DP)调试访问，或两种都包括。 实时时钟(RTC)独立的看门狗定时器，可编程的接 口 支 持：Freescale SPI 总 线， National Semiconductor MICROWIRE 总线。

图3 Cortex-M3 模块框图Fig. 3 The Cortex-M3 block diagram

KL220V-S06 电极增湿器湿器是斯普柯林公司最新研发出的一款针对中央空调主风道的电极加湿控制系统， 微电脑芯片中心控制， 具备智能PID 控制性能， 工作电压AC220V/50－60HZ，控制板功耗小于5W，控制方式：比例0－10V 或4－20ma，高水位响应约5S，能够根据信号的大小，自动调节加湿量（外部控制），或根据环境检测湿度与设定值湿度的湿度差，按设定工作方式，输出加湿量（本地控制）。

SHT1x 数字温、 湿度传感器采用通用的RS485，MODBUS－RTU 通讯协议，直接跟单片机联机使用。 内置3 个MODBUS 寄存器。 从设备可以设置波特4 800,9 600,115 200 bps，格式8N1。

4 系统软件部分设计

软件部分编写采用模块化方式完成，如图4 所示，对每一个模块编程，便于调试和检查，也便于每个模块的扩展，系统软件包含初始化模块、通信模块、数据处理模块和按键扫描四部分，采用C 语言编程，编译工具为Keil（V4.0），通过此Keil 和J－Link 工具可实现程序的编译和在线调试[5]，专家系统软件部分编写流程图如图4 所示。

系统初始化软件模块，是为了在进入主程序之间，做好必要的准备工作。包含RS485 通信初始化；GPIO 口初始化，将4个GPIO 口初始化为上拉输入；DAC 初始化， 将2 个DAC 通道中的一个激活，可输出连续可调的电压信号（0～3.3 V），用于控制增湿器；显示初始化，设置显示屏的颜色，固定字符的显示等。

图4 专家系统软件编写流程图Fig. 4 System software design flow chart

通信软件模块与上位机的通信，向上位机发送数据：温湿度设定值、当前值，PID 控制输出量等；与温湿度传感器通信，采集温湿度传感器的温度值和湿度值；与变频器通信，通过与变频器的通信来控制轴流风机的转速。 所有数据乘100 按整数发送[6]，发送的格式见下表1 所示。

数据处理模块对输入的温、 湿度等数据进行分析、 计算PID 算法模式处理，使输出数据达到理想的精确值。流程图如图5 所示，软件程序界面如图6 所示。

表1 数据通信格式Tab.1 Data communication format

图5 温度处理流程图Fig. 5 Temperature processing flow chart

5 结束语

图6 软件系统界面Fig. 6 Software system interface

变风量中央空调采用专家型智能PID[7－8]控制系统，具有接近人类控制参数的经验的性能，能对酒店客房进行温、湿度精确控制，提高空气质量，专家型PID 控制器对于酒店中央空调这种滞后，非线性和多干扰的对象控制效果很好，同时该系统抗干扰能力强、操作简单，在保证稳定性工作的前提下，提高控制精度的修正值。 控制系统使用ARMCortex－M3 处理器具有功耗低，性价比高，门数目少，中断延迟短，调试成本低的特点，能快速中断响应和深度嵌入式应用，能提高星级酒店中央空调降耗、节能，实现绿色、智慧化。

[1] 熊景琪.计算机控制技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2] 刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2013.

[3] 刘侃,张永泰,刘洛琨. ARM程序设计优化策略与技术[J].单片机与嵌入式系统应用, 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] 傅信主编.过程计算机控制系统[M].西安：西北工业大学出版社，1995.

[5] 王顺晃，舒迪前编著.智能控制系统及应用[M].北京：机械工业出版社，1995.

[6] 王耀南.智能控制系统[M].长沙：湖南大学出版社，1996.

[7] 范振瑞.基于Matlab的PID温度控制系统设计[J].电子科技，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.基于倒立摆的PID控制算法的研究[J].现代电子技术，2012（23）：152-154.WANG Jun.Real time facetracking system based on NiosⅡsoft core[J].Modern Electronics Technique，2012（23）：152-154.