调研报告-中央空调末端控制器设计.doc

本科生毕业论文(设计)调研报告题 目：中央空调末端控制器设计学生姓名： 学 号： 专业班级： 自动化07101 指导教师： 完成时间： 2011年3月5日 中央空调末端控制器设计一、主要目标任务综合运用所学知识，如模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理、微机原理、单片机原理与应用，设计一个中央空调末端控制器。1 对以前所学知识进行系统的复习，全面的综合并将其联贯。2 学会了独立的分析和解决问题和进行相关社会调查的能力3 学会了查阅文献的方法和培养查阅文献的良好习惯。4 提高专业相关外文的阅读、翻译能力，提高专业英语水平。5 提高编写程序的水平，优化软件结构，提高电脑绘图水平。二、系统性能指标1 温湿度自动调节功能，空调可调温度控制在2030C，误差控制在1C以内。相对湿度控制50%70%。2 空调的工作模式为制冷、制热和通风三种模式。3通过外设电子开关可以设置温度。4 LED实时显示系统工作模式及系统设定温度。三、简要工作原理以AT89C51单片机为主电路控制芯片，结合温湿度传感器，LED显示数码管、静态电子开关等硬件，设计出一个中央空调末端控制器。四、课题文献综述1、分户热计量供热系统中的分户温度模糊控制1)作者：刘曼兰，王可崇2)摘要：房间温度控制是典型的时变迟滞系统，用常规PID控制方式很难实现有效控制，而常规FUZZY控制因其稳态性能不佳，又不能满足某些分户热计量供热系统中的分户智能温控装置对室内热环境实现智能控制的稳态温差不超过1的要求。笔者设计出了一种行为自校正模糊控制器，应用到某分户热计量供热系统中的分户智能温控装置中，通过MATLAB仿真结果表明：该行为自校正模糊控制器的性能优于常规FUZZY控制器和PID控制器。 3)行为自校正模糊控制器的基本原理对于一个已经设计好的经典模糊控制器，由于其控制规则不够完善，则在某些情况下，当系统的内部参数发生较大变化时，其控制效果往往不佳。若在该模糊控制器的基础上，再增加一个性能测量环节，一个控制量校正环节，所得到的校正量与原模糊控制器输出的控制量叠加在一起，形成新的控制量，这样就能实现对原控制量的校正，这就相当于对原控制规则进行了修改，从而构成一种改进的行为自校正模糊控制器。4)结果分析行为自校正模糊控制既克服了PID控制对系统参数适应能力差的弱点，又克服经典模糊控制稳态误差比较大的缺点。行为自校正模糊控制比PID控制有更强的鲁棒性，比经典 模糊控制有更小的稳态误差。而且其控制效果完全满足某分户热计量供热系统中的分户智能温度控制系统所提出的控制性能指标。但该行为自校正模糊控制器没有解决因模糊量化取整运算而引起的量化误差和调节死区的问题。因此在稳态阶段，仍有一定的稳态误差，甚至可能会有稳态颤振现象。笔者认为如果对E，EC，U，P都不采用模糊量化取整运算，而是采用模糊数模型在线插值的方法，则能从本质上消除这种稳态误差。2、模糊控制在真空烧结炉炉温控制中的应用1)作者：张国德2)摘要：针对真空烧结炉的特点，提出了模糊控制算法，给出了以单片机为核心的炉温模糊控制系统。3)温度模糊控制模糊控制器是模糊控制系统的核心，模糊控制器是一种利用专家知识和操作者经验设计的专家控制系统，设计时不用数学解析模型来描述受控系统的特性。在本温度控制系统设计中，采用二维模糊控制器，把加热操作量作为输出变量。在模糊控制过程中，同时把偏差和偏差的变化率作为模糊输入量，这种方法不仅能保证系统控制的稳定性，而且还可减少超调量和振荡现象。根据受控系统的实际情况，确定输入变量的测量范围和输出变量的控制作用范围，以确定每个变量的论域，Ke、Kec和Ku分别为输入和输出变量的量化因子和比例因子。先经限幅处理，再经量化处理就得到了E和EC。根据当前已求得的E和EC，直接查询模糊控制表就获得控制量的变化值U，将该变化值U乘以比例因子Ku，即可得到当前的实际控制量增量u。再将该增量和前一采样时刻的实际控制量相加，就得到目前应实施的控制动作，即 uk=uk-1+KuU。 在单片机中对输入的模糊量进行模糊推理，须将所有描述控制过程的控制规则存储在单片机的EPROM中。把专家知识和现场经验转换为用语言表达的模糊控制规则，即设计控制规则库。本系统中，偏差E、偏差变化率EC和控制量的变化的模糊子集定义为 E=NB，NM，NS，NO，P0，PS，PM，PB EC=NB，NM，NS，0，PS，PM，PB U=NB，NM，NS，0，PS，PM，PB P、N分别表示正、负，B、M、S分别表示大、中、小。建立模糊控制规则表的基本思想，以偏差为负的情况说明。当偏差为负大时，若偏差变化为负，表明此时偏差有增大的趋势，为尽快消除已有的负大偏差并抑制偏差进一步增大，所以控制量的变化取正大。当偏差为负而偏差变化为正时，系统本身已有减少偏差的趋势，所以为尽快消除偏差且又不超调，应取较小的控制量。故当偏差为负大且偏差变化为正小时，控制量的变化取为正中。若偏差变化为正大或正中时，控制量不宜增加，否则将会造成较大的超调，出现正偏差，因此这时的控制量变化取为0级。当偏差为负中时，控制量的变化应该使偏差尽快消除，基于这种原则，控制量的变化选择同偏差为负大时相同。当偏差为负小时，系统接近稳态。若偏差变化为负时，选取控制量变化为正中，以抑制偏差往负方向变化；若偏差变化为正，系统本身有消除负小偏差的趋势，选取控制量变化为正小即可。可见选取控制量变化的原则是：当偏差大或较大时，选择控制量的大小以尽快消除偏差为主；而当偏差较小时，选择控制量要注意防止超调，以使系统稳定为主要出发点。 为节省内存，提高单片机应用系统的工作速度，实现有效的实时控制，根据隶属函数和模糊控制规则表离线计算对应的模糊控制表（即查询表），并将该表内置在应用软件的EPROM表中，供实时控制过程使用。在实际控制时，模糊控制器首先把输入量量化到输入量的语言变量论域中，再根据量化的结果去查表求出控制量，这样可大大提高模糊控制的实时效果，节省内存空间。4)结束语 以89C51单片机为核心的真空烧结炉温度模糊控制系统，实时性好、 节省内存、精度高、功能强、使用方便，极大地改善了系统的动态与静态特性，温度均匀度不超过3,控温精度高过1,经处理的材料（工件）表面光亮、无氧化、质量可靠、工艺稳定。3、模糊-PID控制器在空调温度控制中的应用1)作者：赵瑞军，王先来2)摘要：该文首先利用计算机仿真软件中的优化工具箱对常规PID控制器的比例、积分和微分参数进行优化，并且针对中央空调温度控制系统非线性、大滞后的特点，设计了再规则上可调整的模糊控制器，该模糊控制通过因子自调整和Ku的自寻优，达到适应和跟踪系统参数变化的目的；而后采用模糊逻辑工具箱和MATLAB函数相结合，方便地实现空调温度控制系统的计算机仿真。仿真结果表明，这种控制方式控制效果优于常规PID控制，有效的改善了系统的动态性能、稳态精度和鲁棒性。3)引言：中央空调系统是智能建筑的重要组成部分。一个设计完善的中央空调控制系统应在多变的外界条件下保持良好的控制品质，这就为控制系统的鲁棒性提出了更高的要求。传统PID控制器虽然结构简单、方便，能满足大量的工业过程控制的要求，但是PID本质是线性控制，难以解决非线性和参数的变化，而模糊控制将人脑的推理过程引人控制算法，无需建立被控对象的精确数学模型，与传统控制方法相比具有更高的鲁棒性。简单模糊控制器控制性能的优劣决定于人们对操作规则的总结的完善性，由于中央空调系统是一个大滞后、非线性的时变系统，其控制规则难以归纳完善，影响了简单模糊控制器的控制效果，因此，这里考虑采用一种PID与优化的模糊控制器相结合的方法，应用到中央空调系统的温度控制当中；并利用MATLAB中的NCD Out Port模块对PID控制器的Kp、Ki、Kd进行优化，使中央空调系统在不同的工作条件下，都能保持良好的控制品质，达到最佳控制和节能的目的。4)仿真结果 由于采用了模糊PID的复合控制方式，使系统的动态响应得到大大改善，最大动态偏差显著降低，过程调节时间的也大大减小，系统的纯延迟也减小，在受到干扰时能很快地回到平稳状态，有良好的跟踪性和满意的鲁棒性。4、基于PLC模糊控制的中央空调节能系统1)作者：石建华，杨杰2)摘要：中央空调的节能是建筑节能的主要途径，传统的定流量控制技术是制约节能的主要因素。文章提出了以PLC为控制的模糊控制技术，分析了模糊控制的技术优势，介绍模糊控制系统组成，并成功应用于中央空调项目，证实了采用模糊控制技术的中央空调控制成品性能先进，节能效果显著。3)中央空调节能控制的必要性分析据调查，一般中央空调的能耗约占整个建筑总能耗的50%，而商场和综合大楼更高达60%以上。目前，大多数楼宇中央空调系统中存在空调负荷计算不当，致使冷热源机组容量选择过大，形成“大马拉小马”的状况；中央空调系统的自控节能设计较为粗糙，甚至未作考虑；水泵的定流量运行；系统的管理不当等因素造成能源浪费的严重现象。众所周知，大多数间接式中央空调系统是包括冷冻水（剂）系统、冷却循环水系统、末端循环水系统，是一个设计制冷剂、载冷剂及冷却剂的多设备、多工况、多调节、广地域的复合系统，系统的效率是由系统中各设备负荷、实际工况来决定的。对中央空调系统控制的目标是将室内的温湿度控制在比较适宜的水平，并尽量减少系统的耗能。由于系统中各种设备由不同的生产厂家供应，系统控制主要以制冷主机厂家的控制器和控制方案为主，重点考虑的是主机的负荷及工况参数控制、冷却水系统控制，而很少考虑空调系统中冷冻循环水的参数，几乎没有考虑冷却循环水系统及末端风系统设备的工况，这样导致中央空调系统的设备工况、系统参数都没有在最佳环境下，因而导致能源浪费。因而，基于整个空调系统的节能控制技术的研究能够提高中央空调系统的节能效率。4)结束语经过模糊控制改造后，中央空调系统实现计算机管理，运行管理的自动化程度得到大大提高，为管理者提供大量空调系统运行数据信息，减轻操作人员的劳动强度。同时，水泵系统将实现在低频状态下启、停，可大大减少对电网的冲击和对电机的磨损，减少设备的故障率，延长设备的使用寿命，降低设备的维修成本。由此带来的间接经济效益也是十分显著的。5模糊控制器在中央空调控制系统中的应用1)作者：林喜云，沈国民，谢军龙2)摘要：分析了中央空调系统的特性，并对其各个部分建立数学模型，基于MATLAB环境下，利用simulink和fuzzy工具箱，对空调系统采用PID控制与模糊控制器的仿真比较，通过仿真结果显示，空调系统采用模糊控制具有较强的鲁棒性，波动小等特点。3)模糊控制器的设计确定模糊控制器的输入、输出变量。模糊控制器选用空调系统的回风T与温度设定值Td的误差e=T-Td及误差变化率=de/dt作为输入语言，加热盘管阀门开度u。要求温度变化范围-2 Ce2C，语言e取值：负大NB，负小NS,零ZE，正小PS，正大PB，语言值隶属函数选择三角形；误差变化率范围-0.5C/s0.5C/s,语言变量取值负大NB，负小NS，零ZE，正大PS，正小PB，语言隶属函数选择三角形；输出量u的取值关闭CB，小开CS，半开M，打开OS，全开OB，语言隶属函数选择梯形。模糊控制规则表是由一组IF-THEN的控制规律组成的，实际上是将操作员的控制经验加以总结而得出的一条条模糊控制条件语句的集合。确定模糊控制规则的原则是必须保证控制器的输出能使系统输出响应的动态特性达到最佳。4)仿真结果及结论由仿真结果可以看出，由于空调系统的滞后影响，使得常规的PID控制效果不理想，对房间温度的控制波动比较大，针对HVAC系统的非线性特性，设计的基于动态模式下模糊控制器，在MATLAB环境下仿真表明该控制方法能提高温度的温度性，这种控制方法具有强鲁棒性、反应时间快，波动小等特点。所以模糊控制器在所以模糊控制器在空调系统中具有广泛的应用价值。6中央空调智能控制系统模糊控制器的设计1)作者：王凤歌，李晓荃，申旭2)摘要：中央空调是现代建筑的一个必需的基础设施,在人们的日常生活中具有重要地位 通过对中央空调的多参数采集,采用模糊控制技术对系统整体运行进行优化,取代传统的定流量控制方式,实现了空调系统的冷量供给随末端负荷需求而变化,提供更先进的节能控制运行模式和管理技术平台3)模糊控制基本原理 实现一步模糊控制算法的过程描述如下:微机经采样获得被控量的精确值,然后将此值与给定值相比较得到误差信号 E ,一般选取误差信号E 作为模糊控制器的一个输入量然后对其进行模糊化变成模糊量误差 E 的模糊量可用相应的模糊语言表示,得到一个模糊子集 e,再由 e 和模糊关系 R,根据推理的合成规则进行模糊决策,得到模糊控制量 u,即u=e*R。 为了对被控对象施加精确的控制,还需要将模糊量 u 转换为精确量,这一步在上图中称为去模糊化。4)结论在不影响中央空调正常工作的情况下, 通过设计模糊控制器,对中央空调加以适当改造,实现降耗节能的目的 系统仿真可以看出,模糊控制器能够满足系统功能要求,而模糊控制算法本身具有的鲁棒性也保证了控制器性能的稳定 而且这种系统编程和优化调节也更方便 中央空调系统可根据不同工况自行选择运行频率,在满足环境温度要求的前提下,降低系统功耗,节约能源本文创新点在满足环境温度要求和设备安全运行的前提下,通过对中央空调多项参数的采集和分析,在仿真研究和各种试验的基础上, 选好输入输出变量, 确定模糊子集 模糊子集论域, 模糊量化因子,发挥模糊控制的鲁棒性 自适应性,构建模糊控制方案,优化中央空调主机系统运行环境,实现中央空调系统综合节能的良好效果7、挖掘机液压系统模糊控制方法的研究1)作者：李克杰2)液压系统控制的基本内容 液压系统是挖掘机实现各种运动和进行自动控制的基础。从某种意义上来讲，液压系统的性能决定着挖掘机的质量与工作效率。现代挖掘机能够 根据工作环境和作业条件，自动实现分功率的变量与全功率变量，以保证任 何情况下发动 机均不超载，使发动机运行平稳且功率得到充分利用；还应设置减速系统（AutoSlow）和负控制系统（Negative Control），以便当其工作装置不动作时，使发动机油门自动减小，并使液压泵排量减至最小以节省能量。根据挖掘机工况变化大而快这一特点，为有效利用以动机功率，且保证安全，正常作业，现代挖掘机控制系统应具有下列功能：速度传感 检查发动机转速是否在输出范围内，并控制液压泵驱动扭矩使二者匹配及防止发动机熄火。流量分配控制 为实现工作装置的联合动作，需对每执行元件（如斗杆液压缸、铲斗液压缸等）提供不同的压力和流量。当液压系统只有一台主泵时，通过流量分配控制使各执行元件同时动作，满足不同作业的要求。行走马达控制 设置高速、中速、低速行走自动选择系统，实现机器行走随外载荷变化自动无级调速，使行走速度与操纵手柄原位置相对应。预热 在液压油温低于某一界线时，发动机转速自动增高，液压磁流量即随之增加，液压系统很快被加热。突发增力 对主溢流阀施以背压，使系统溢流额定压力上升，短时间提高作业功率。 以上功率的实现，多与对液压系统的控制有关。 由于液压系统的信息具有模糊性、不确定性和偶然性，分析和实践表明，模糊控制非常适用这一类系统控制。3)液压系统模糊控制模糊控制系统的核心是模糊控制器，由模糊化、模糊推理、模糊判决（反模糊化）三部分组成，模糊控制工作原理见图1，其中虑线部分表示 模糊控制器；e、ec分别表示实测值与设定值的偏差及偏差变化率；E，EC为模糊化的偏差及偏差变化率；u表示模糊控制量，u*为标度变换前的精确量；K1、K2、K3皆为标度变换系数；r、y分别为输入量和输出量。 对于变负载情况的进、回油旁路节流调速液压系统，采用均匀分布的隶属度函数曲线；控制总表生成时，首先将三个语言变量e、ec和u划分为7挡，即用7个模糊子集；正大（PL），正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NL）表示。e、ec相应于各模糊子集的取值，即为隶属度。它表示某一确定量对模糊子集的隶属程度。 控制规则确定了输入e和ec与输出u之间的某种关系，是由“F.THEN.”的条件语句来描述的：IF e is A AMD (or) ec is B,THEN u is C。4)外载荷变化使液压泵输出压力在系统溢流阀调节压力范围内变化时， 由模糊控制可得到接近发动机额定功率的变化规律，且最大的差值不超过5%。而一般的工程机械用发动机的扭矩储备系数为1.06-1.14左右。因此，由模糊控制委动机自身特性的结合，完全可以使发动机稳定正常的工作。8、基于模糊神经网络的变风量空调室内温度控制系统1)摘要：本文将模糊理论的知识表达与神经网络的自学习能力结合起来，针对变风量空调温度控制系统提出了一种模糊神经网络控制方案，并详细阐述了模糊神经网络的结构、算法。对变风量空调室内温度控制系统进行仿真，验证了模糊神经网络应用于温度自动控制系统的可行性 。2)引言：变风量空调具有舒适、节能、可进行较好的空气过滤以及消声等优点，但是其控制、调试比较难。在传统温度控制方法中，采用PID控制， 就能取得令人满意的控制效果，但对于变风量空调这样干扰大，高度非线性的系统普通的 PID 容易产生大滞后，调整时间长等缺点，本文提出以模糊神经网络控制为基础的温度智能控制系统，利用模糊控制技术和神经网络控制技术，采用闭环控制技术实现对空调房间室温的自动控制，用模糊神经网络控制器代替 PID 控制器，实现温度的精确控制。模糊神经网络控制系统对无法取得数学模型或数学模型粗糙的系统有好的控制效果 它实质是根据模糊系统的结构来决定神经网络模型，使神经网络的每一层 、每一个节点对应于模糊系统的某一部分，通过神经网络来达到模糊控制的在线学习能力。3)结束语：为了获得满意的控制性能，将神经网络与模糊技术相结合，引入模糊控制方法，系统通过网络学习训练使控制精度大为提高，使系统有较强的适应性和鲁棒性，获得较理想的控制效果，为实际控制提供了理论依据。五、方案论证方案一1) 硬件组成：PLC、A/D转换器、LED数码管、热电阻、湿敏电阻、继电器、电机。2) 工作原理：在此控制系统中，由热电阻与湿敏电阻做成测量工具，对温湿度变量进行检测，并输送到A/D转换器。A/D转换器将数据进行A/D转换后