（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究.pdf

独创性( 或创新性) 声明 1 i i ii i ii i if iii f l l l li ji 17 5 9 0 8 3 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：殛监亟： 日期： 加。3 j 多 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 塑堡垒日期：尘k 吖 基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 摘要 新风系统将室外的新鲜空气和室内的空气进行交换，保证室内的 通气，改善房间的空气质量。在使用空调时，室内外温差较大，尤其 是在冬季，直接将外界温度较低的新风引入房间，会明显拉低室内温 度，同时也给空调系统造成很大的负荷。具有预热功能的新风系统， 把温度适宜的新风引入，保持室内温度的同时又达到节能的目的。 本文首先根据新风系统的测控需求，搭建了新风测控系统实验平 台，在大量实验的基础上，根据各个检测点的温度数据，详细总结了 新风系统的运行模式与控制特点。然后给出新风测控系统的设计方 案，完成了基于i c a n 总线的嵌入式新风测控系统的硬件搭设。该 i c a n 新风测控系统的控制主站基于s m a r t a r m 2 3 0 0 嵌入式开发平 台，采用3 2 位的嵌入式处理器a r m 和嵌入式实时操作系统斗c o s i i 来实现，各个测控节点分别采用广州致远有限公司的i c a n 功能模块， i c a n 4 0 1 7 用于完成压力与温度传感器的数据采集，i c a n 5 5 0 2 完成 温度传感器的数据采集，i c a n 4 0 5 5 用于控制电动阀的开关状态， i c a n 4 2 1 0 用于控制电动调节阀的开度以及变频器的输入电压。最 后，介绍了嵌入式新风测控系统的软件设计思路与实现方法，通过使 用嵌入式开发平台的工程模板，实现了p c o s i i 操作系统的移植以 及多任务的划分与建立，完成了底层c a n 网络的通信、液晶显示输 出，数据保存。详细介绍了设计经典模糊控制器的基本步骤，结合新 风系统确定了模糊控制的输入变量与输出变量的模糊集合，划定了论 域，制订了模糊规则，实现了自动控制的目标。 本文最后进行了全文总结，给出了有待进一步研究的问题，并对 后续工作做出了展望。 关键词嵌入式系统a r mc a n 总线 i a c o s i i 模糊控制 t h ed e s i g n0 fe m b e d d e df r e s ha i rc o n t r o l s y s t e mb a s e do na r ma n dt h er e s e a r c ho f co n t r o la l g o r i t h m a b s t r a c t t h ef r e s ha i rs y s t e mc a ne x c h a n g et h eo u t d o o ra n di n d o o ra i r , e n s u r e t h a tt h ei n d o o ra i rv e n t i l a t i o nt o i m p r o v er o o m a i r q u a l i t y t h e t e m p e r a t u r ew i l lb ed i f f e r e n tl a r g eb e t w e e ni n d o o ra n do u t d o o rw h e nu s e d a i r - c o n d i t i o n i n g ，e s p e c i a l l yi nt h ew i n t e r , t h eo u t s i d ef r e s ha i rw h i c hi s l o w e rt e m p e r a t u r ew a sd i r e c t l ys e n ti n t ot h er o o mw i l ls i g n i f i c a n t l yb r i n g d o w nt h ei n d o o rt e m p e r a t u r e b u ta l s ot oc r e a t eag r e a tl o a do fa i r c o n d i t i o n i n gs y s t e m s af r e s ha i rs y s t e mw i t hap r e h e a tf u n c t i o nc a n p r o v i d e c o m f o r t a b l e t e m p e r a t u r e o ff r e s ha i rt o k e e p t h ei n d o o r t e m p e r a t u r ea tt h es a m et i m et oa c h i e v ee n e r g y - s a v i n gp u r p o s e s i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h em o n i t o r i n gn e e d so ft h ef r e s ha i r s y s t e m ，b u i l daf r e s ha i rc o n t r o ls y s t e mt e s tp l a t f o r n l b a s e do nt h e t e m p e r a t u r ed a t ao fal a r g en u m b e ro fe x p e r t m e n t s ，m a k ead e t a i l e d s u m m a r yo ft h e f r e s ha i r s y s t e mo p e r a t i n gm o d ea n d s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s t h e n c o m p l e t e d t h eo v e r a l l d e s i g n o fe m b e d d e d m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，e s t a b l i s h e dt h es y s t e m sh a r d w a r e t h e s y s t e m sm a s t e rc o n t r o ln o d e b a s e do ns m a r t a r m 2 3 0 0e m b e d d e d d e v e l o p m e n tp l a t f o r m f o r3 2 b i ta r me m b e d d e d p r o c e s s o r a n d e m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m “c o s i i o t h e rn o d e su s e di c a n m o d u l e s ，s u c ha si c a n 4 017f o r t h ec o m p l e t i o no fp r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r es e n s o r d a t aa c q u i s i t i o n i c a n 55 0 2c o m p l e t i o no ft h e t e m p e r a t u r es e n s o rd a t aa c q u i s i t i o n i c a n 4 0 5 5i su s e dt oc o n t r o le l e c t r i c v a l v e ss t a t e i c a n 一4 21oi su s e dt oc o n t r o le l e c t r i cc o n t r o lv a l v eo p e n i n g a n di n p u tv o l t a g eo ft h ei n v e r t e r f i n a l l y , d e s c r i b e ss o f t w a r ed e s i g na n d r e a l i z a t i o nm e t h o d so ft h ef r e s ha i rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1s y s t e m t h r o u g ht h eu s eo fe m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mp r o j e c tt e m p l a t e st o a c h i e v et h e i ，t c o s - i io p e r a t i n gs y s t e m st r a n s p l a n t ，a s w e l la s c o m p l e t e dt h ee s t a b l i s h m e n to fm u l t i t a s ka n do p e r a t i o nb a s e do nt h e p l a t f o r m ，i n c l u d i n gt h ec a nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，l i q u i dc r y s t a l d i s p l a yo u t p u ta n dt h ed a t as a v e ，g i v e st h eb a s i cs t e p so fa c h i e v et h e c l a s s i c a lf u z z yc o n t r o l l e r ，a n de v e n t u a l l ya p p l i e di np r a c t i c e a tl a s ts u m m a r i z e dt h ef u l l t e x t ，g i v e nf u r t h e rs t u d ya n dm a d e f o l l o w u pp r o s p e c t s k e yw o r d se m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，c a n b u s ，i t c o s i i ， f u z z yc o n t r 0 1 北京邮电大学硕士论文 基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 目录 第一章绪论1 1 1课题研究背景1 1 1 1 新风系统概述1 1 1 2 嵌入式系统的发展现状1 1 2 测控系统的控制理论3 1 3 本文的主要研究内容与主要工作4 1 4论文章节与内容安排5 第二章基于a r m 嵌入式新风测控系统的整体设计方案6 2 1新风模拟系统实验台的搭建6 2 2传感器、执行器及变频器的选型7 2 2 1 传感器的种类及其应用7 2 2 2 执行器及其应用8 2 2 3 变频器及其应用9 2 3 测控系统组网方案：9 2 3 1 现场总线的定义及其特点。l o 2 3 2 几种常见的现场总线j j 1 2 2 3 3c a n 总线协议j 1 4 2 3 4i c a n 总线协议1 6 2 4 嵌入式控制主站的设计1 7 2 4 1 嵌入式处理器的选择1 7 2 4 2 嵌入式开发板的选择j 19 2 4 3 嵌入式操作系统的选择。2 l 2 5控制算法的选择2 3 2 5 1 新风系统的控制特点一2 3 2 5 2 模糊控制2 3 2 6本章小结一2 4 第三章i c a n 总线及在新风系统中的应用2 5 3 1i c a n 总线网络特性2 5 3 2i c a n 新风测控系统结构2 6 3 3新风系统i c a n 功能模块2 7 3 4i c a n 系统设备描述与访问方法2 8 北京邮电大学硕士论文基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 3 5i c a n 系统连接的通信方式2 9 3 6i c a n 系统主从通讯模式3l 3 7本章小结3 2 第四章嵌入式控制主站的构建3 3 4 1开发调试环境的建立3 3 4 2嵌入式控制主站程序设计3 3 4 2 1 程序设计的总体方案3 3 4 2 2 程序界面设计。3 4 4 3工程模板的使用3 6 4 3 1 模板结构分析3 6 4 3 2z yc o d e 组3 6 4 3 2 1h e a d 组3 6 4 3 2 2 a r m 组3 7 4 3 2 3 m i n i a i 己m 2 3 0 0 组3 7 4 3 2 4g c o s i i 组3 8 4 3 3u s e rc o d e 组3 8 。 。4 3 3 1u s e r h 组3 8 4 3 3 2 。u s e r c 组及m a i n c ：3 9 4 4 实时操作系统的多任务实现3 9 4 4 1 任务的划分与设计。4 0 4 4 2 任务的特性o 4 0 4 4 3 任务的划分与设计4 1 4 5系统调试4 4 4 6 本章小结：4 4 第五章模糊控制算法的设计与实现4 5 5 1模糊控制系统4 5 5 2新风系统的模糊控制系统设计4 5 5 2 1 模糊控制器4 5 5 2 2 模糊控制器的输入与输出变量。4 6 5 2 3 模糊控制规则的设计4 6 5 2 3 1选择描述输入输出变量的词集4 6 5 2 3 2 定义各模糊变量的模糊子集4 7 5 2 3 3 建立模糊控制器的控制规则4 7 5 2 4 选择模糊化和解模糊化的方法4 8 i i 北京邮电大学硕士论文基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 5 2 5 确定输入变量与输出变量的论域4 9 5 3 新风系统的模糊控制算法的实现一5 0 5 3 1 输入量的模糊化5 0 5 3 2 控制规则的实现51 5 3 3 输出量的解模糊方法一5 1 5 4新风系统控制的实现5 l 5 5 本章总结一5 4 第六章总结与展望5 5 6 1工作总结5 5 6 2 工作展望一5 5 参考文献5 6 致谢：1 攻读学位期间发表的学术论文1 i i i 北京邮电大学硕士论文基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 北京邮电大学硕士论文 基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 1 1 课题研究背景 1 1 1 新风系统概述 第一章绪论 房间应当经常通风换气，但有的住户为了避免外界尘土以及噪声的侵入，长 期窗户紧闭，阻止了室内空气的流通，对于生活在室内的用户的健康产生不利的 影响。一套独立的新风系统，可以让用户不用打开门窗，新鲜空气依然源源不断 地进入室内，同时也不用担心噪音、灰尘、蚊虫的侵扰。 新风系统是一种持续而且能控制通风路径的通风方式。通过风机和气流控制 系统的作用，新风系统能够把室内污浊空气排出，把新鲜空气2 4 小时不问断地 送入室内，使密闭空间的空气得到充分更新。可以说，新风系统如同给房屋安装 了一套呼吸系统，让房屋真正呼吸起来【1 1 。 新风系统在发达国家已经是很普遍的现象，比如在法国，大约有9 7 的家庭 安装了这种系统。而在荷兰的住宅中，新风系统是必需安装的设备之一。但在中 国，安装新风系统的还很少。新风系统目前在中国主要是一些高档住宅和节能科 技项目的尝试【2 1 。 新风测控系统以送风温度为控制对象，根据检测点的温度，决定新风系统的 运行模式，通过对变频器与开关阀的控制调节流量，实现对送风温度的控制。 1 1 2 嵌入式系统的发展现状 嵌入式技术是2 1 世纪最有生命力的新技术之一，目前已经广泛应用于社会 生活的各个方面。嵌入式系统的应用与开发则是当即计算机行业发展的一个热 点。现今嵌入式系统的应用与开发领域主要有：移动通信、办公自动化、机项盒、 掌上电脑、工业控制、信息家电等。工业等各部门对智能控制需求的不断增长， 对嵌入式系统的实时性、运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗和集成度等 方面提出了更高的要求【3 】。 嵌入式系统具有软件代码少、高度自动化、低成本、低耗费、轻型、高可靠 性及可配置性等优点，能很好地完成实时和多任务的系统需求。目前嵌入式系统 技术主要有以下四个应用领域： ( 1 ) 消费类电子产品 北京邮电大学硕士论文基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 消费类电子产品是指能够提供信息服务，或通过网络系统交互信息，同时又 简单易用、价格低廉、维护方便的一些电子设备。后p c 时代，家用电器将向 数字化和网络化发展，电视机、微波炉、电话等都将嵌入计算机，并通过家庭控 制中心与i n t e m e t 连接，转变为智能网络家电。届时，人们用手机就可以远程控 制家里的电器，还可以实现远程医疗，远程教育等。嵌入式系统为信息家电( 数 字机顶盒、网络冰箱、家庭网关等) 的实现提供了技术上的保障和广阔的市场前 景。 ( 2 ) 移动计算设备 包括手机、p d a 、掌上电脑等各种移动设备。中国拥有最大的手机用户群， 而掌上电脑( 或p d a ) f l j 于易于使用、携带方便、价格便宜，未来几年也将在我国 得到快速应用。从市场反映来看，p d a 与i n t e m e t 己呈现融合趋势，用掌上电脑 ( 或p d a ) 上网，人们可以随时随地获取信息。 ( 3 ) 工业控制 在工控领域，嵌入式设备能够充分满足工控对系统整体稳定、高效以及实时 性的需求，因此早己得到广泛应用。我国的工业生产需要完成智能化、数字化改 造，智能控制设备、智能仪表、自动控制等为嵌入式系统提供了很大的市场。嵌 入式设备进入传统工业行业，对传统企业的信息化改造有着非常重要的意义。 ( 4 ) 网络设备 。 随着i n t e m e t 的快速发展，设计和制造嵌入式服务器、嵌入式网关和嵌入式 路由器己成为嵌入式i n t e r n e t 时代的核心技术。基于l i n u x 等的网络设备提供了 更好的网络解决方案，网络设备领域己成为嵌入式应用新的发展方向。 美国电子电气工程师协会( i e e e ) 对嵌入式系统的定义为：嵌入式系统是 用来控制或监视机器、装置或工厂等系统的设备。 嵌入式系统通常具有如下特性： ， ( 1 ) 通常只执行特定功能；是在特定领域内完成特定的功能的专用计算机 系统，它可用于一种工业仪器，也可用于航天设备中的某个电子装置。 ( 2 ) 嵌入式系统中硬件配置一般是根据系统的性能指标来确定的；除了附 加的调试接口夕i ，没有多余的硬件设备，一般是以计算机周边器件构成核心，其 规模可在大范围内变化。而且嵌入式系统中硬件与软件紧密结合。 ( 3 ) 严格的时序和稳定性要求；这是因为在机器控制的大型系统中，程序 运行稍有差错则可能使得整个系统失去控制，甚至酿成灾害。所以要求系统的自 动运行要稳定、可靠运行。 ( 4 ) 具有实时性；因为在工业控制应用中大多数是属于过程控制，这些领 域对系统要求是必须具有实时性，而且还要求有实时性的嵌入式操作系统。 2 北京邮电大学硕士论文基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 ( 5 ) 嵌入式系统的开发一般采用宿主栅目标机模式；在某个环境下调试好 目标机器的软件和硬件，才能使目标机器离开开发环境，从而独立运行【4 1 。 嵌入式系统是软件与硬件的综合体，它是以应用为中心，以计算机技术为基 础，软硬件可剪裁，从而能够适应应用系统，对功能、可靠性、成本、题记、功 耗严格要求的专用计算机系统。它将操作系统和功能软件集成于计算机系统之 中，简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似于b i o s 的工作方 式，具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。特别适合于要求实时的 和多任务的体系。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器，一般具备以下4 个特点： ( 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响 应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 ( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已 模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储 区保护功能，同时也有利于软件诊断。 ( 3 ) 可扩展的处理器结构，以便最迅速地扩展出满足应用的最高性能的嵌 入式微处理器。 ( 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计 算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，需要功耗只有m w 甚至l i w 级【5 1 。 在工业控制领域，嵌入式系统主要应用在各种智能测量仪表、数控装置、可 编程控制器、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、机电一 体化设备等系统中。随着工业控制对性能和智能化的要求不断提供，基于嵌入式 芯片的工业自动化设备已经获得长足的发展，目前已经有大量的8 位、6 位、3 2 位嵌入式微控制器应用在如工业过程控制、数控机床、电力系统、电网设备监控、 石油化工等系统中。随着技术的进步，3 2 位、6 4 位的处理器逐渐成为工业控制 设备的核心。 1 2测控系统的控制理论 自动控制理论的形成和发展经历了经典控制理论、现代控制理沦和智能控制 理论三个阶段理论【6 1 0 其中，经典控制现论和现代控制理论是建立在精确的数学 模型的基础之上的，而智能控制理论适合用来解决系统模型和环境本身均不确定 的问题。1 9 8 7 年智能控制正式成为- - f - j 独立的学科，它是人工智能、运筹学和 3 北京邮电大学硕士论文基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 自动控制理论等多学科相结合的交叉学科。 模糊控制理论作为智能控制的一个分支，从1 9 6 5 年美国著名控制论学者 l a z a d e h 发标开创性论文，首次提出一种完全不同于传统数学与控制理论的模 糊集合理论，到1 9 8 6 年世界上第一块基于模糊逻辑的人工智能芯片在著名的贝 尔实验室研制成功，其间只经历了短短的2 0 年。这事实说明，模糊系统理论这 门新兴的学科具有强劲的生命力和十分令人鼓舞的应用前景【丌。 模糊控制是模糊数学和控制理论相结合的产物，特别适用于那些难以获得过 程的精确数学模型及具有时变时滞、非线性、大滞后的复杂工业控制系统，具有 较强的鲁棒性和抗干扰能力。现在，模糊控制越来越多地用于工业过程、家用电 器等复杂场合。 模糊控制系统的核心是模糊控制器，而模糊控制规则是设计模糊控制器的核 心，它实际决定了控制系统的性能及控制效果。以前，模糊控制规则是凭操作者 的经验或专家知识获取的，这并不能保证规则的最优或者次优，达到最佳控制的 目的同时规则的获取没有系统的步骤可以遵循。为适应现代工业控制的要求，模 糊控制器在应用中正朝着自适应、自组织、自学习方向发展，使模糊控制真正达 到仿人智能控制的目的。研究智能模糊控制器，可以克服模糊控制器设计过程中 缺乏完整的系统性的不足，使这种控制工程更加符合人们在控制决策过程中的思 维特点，充分发挥其描述不精确控制行为和不受数学模型限制的特长。研究智能 模糊控制器，可以改变模糊控制理论相对落后于应用的局面，提高过程控制中状 态发生大幅度变化时的鲁棒性，扩大其应用范围，从而使模糊控制对象复杂系统 进行更为有效的控制。应用智能模糊控制器，可以提高产品的质量和产量、降低 能耗，经济效益显著，全面实现生产过程及产品智能化的目标。模糊控制系统的 控制性能受诸多因素的影响，包括语言变量模糊子集的选择，隶属函数的形状和 参数，模糊控制规则，推理机理和反模糊方法等等，随着现代社会的不断发展， 智能模糊控制器正越来越得到人们的广泛研究和成功应用。 1 3 本文的主要研究内容与主要工作 本课题研究内容与主要工作如下： ( 1 ) 新风供热系统的工作原理及测控需求。 ( 2 ) c a n 总线技术及i c a n 应用层通信协议规范。 ( 3 ) 嵌入式系统的体系结构和开发流程。 ( 4 ) 嵌入式实时操作系统的移植方法和开发环境的建立。 ( 5 ) 嵌入式测控系统的控制算法的设计与实现。 北京邮电大学硕士论文基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 ( 6 ) 搭建基于c a n 总线的模拟太阳能新风测控系统硬件平台。 ( 7 ) 通过调试软件与硬件的结合，完成总线系统的安装及调试。 ( 8 ) 在s m a r t a r m 2 3 0 0 系统板上完成了i c a n 模块通信，i 上c o s i i 操作系 统的移植，实现了实时采集数据并显示，通过模糊控制算法实现自动控制的目标， 最终完成基于i c a n 总线的嵌入式新风测控系统。 1 4 论文章节与内容安排 本文共分六章，主要对基于c a n 总线和a r m 嵌入式测控系统的设计以及 控制算法的研究与实现，对硬件选型，软件实现进行了详细的阐述。 第一章绪论，主要阐述了新风系统，回顾了国内外嵌入式系统的研究现状 及测控系统的控制理论，介绍了本文各章节内容安排。 第二章新风测控系统总体设计方案，实验台结构、需求分析、初步方案设 计论证。 第三章i c a n 总线分析及在新风系统中的应用，详细介绍了i c a n 总线的网 络特性、数据通信的实现方式、设备的访问方法。 第四章嵌入式操作平台环境的构建，本章阐述了嵌入式实时操作系统的技 术特点、开发调试环境的建立和a r m 工程模板的使用。同时基于p c o s i i 内核， 完成了嵌入式测控主站的程序设计。 第五章通过研究模糊控制理论，设计了经典模糊控制模型，实现了模糊控 制算法，达到了自动控制的目的+ 第六章总结与展望，对本文进行了总结，并对下一步研究工作进行了展望 北京邮电大学硕士论文基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 第二章基于a r m 嵌入式新风测控系统的整体设计方案 2 1 新风模拟系统实验台的搭建 在冬季使用新风系统时，因为外界新风温度很低，如果不经过预热处理而直 接引入房间内，则会对室内温度造成影响，同时也会给空调系统带来更大的能耗， 为此，设计了带有新风预热的新风系统，因为条件所限，采用电热器模拟太阳能 加热，其工作原理可以简单的描述为：冷水经过电热器加热，经过风机盘管，通 过调节热水流量与新风进行热交换，使新风预热达到设定的出风温度。 实验系统装置中，需要用到两种控制阀门，一种是开关阀e ，一种是调节阀 m ，开关阀负责通断调节，调节阀负责流量调节；有三种传感器，分别是温度传 感器t ，压力传感器p 以及流量传感器g w ，温度传感器负责采集管道内水的温 度值，压力传感器负责采集管道内压力值，流量传感器负责采集管道内单位时间 内水的流量。 新风实验系统原理图如图一所示： 龟) _ 一流蕾镭瓣磐i 卜- 电功二遮淘一毫妨调警阀 伊温度幢痨魁争；，, j c i t 伊压力傍黪器 臣受匿卜襁变材料 匪 卜风枫盘管 图2 - 1 新风实验系统原理图 6 北京邮电大学硕士论文基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 该新风系统实验台的核心是由p c m 相变材料组成的蓄热装置，其主要功能 是存储和释放热量。当热水流经蓄热装置时，相变材料吸收热量，热水变为冷水： 当冷水流经蓄热装置时，相变材料释放热量，给冷水加热，使其温度升高。根据 室内外空气的温度以及热源提供能量的效率，新风系统有三种运行模式： 1 模拟热源提供的热量全部用来加热新风维持室内通风。 2 模拟热源提供的热量相对充足，所以一部分用来加热新风，一部分通过 相变材料储存起来。 3 模拟热源提供的热量相对不足，因此需要相变材料释放热量加热新风。 2 2 传感器、执行器及变频器的选型 2 2 1传感器的种类及其应用 温度传感器主要用于检测新风系统管道内水的温度，它是该系统中监测数据 输入的最基本变量之一，也是新风测控系统中数量最多的传感器。温度传感器是 具有在恶劣环境中长期使用而保持精度不变的少数几类传感器中的一种，目前常 用的传感器有热电偶传感器、热敏电阻传感器以及集成电路( 固态) 型传感器。 本系统采用的是铠装系列热电阻温度传感器，其感温元件采用灵敏度高、线 形度好的p t l 0 0 铂电阻，铂电阻具有电阻率高，在使用的温度范围内，材料的物 理和化学性质稳定等优点。 该温度传感器的性能指标如下： 测量范围：1 0 1 l o 工作电压：+ 2 4 v d c ：t ：1 0 测量精度：0 2 0 5 输出方式：三线制输出 p t l 0 0 铂电阻和温度变化的关系式如下：r = r o ( i + a t ) 其中a = 0 0 0 3 9 2 ，r o 为1 0 0q ( 在0 的电阻值) 。在实际测量中可以通过测定传感器两端的输出电压 得出实际的测量温度。 压力传感器主要用于检测新风系统管道内水的压力，它也是该系统中监测数 据输入的最基本变量之一。压力传感器是一种很灵敏的传感器，目前常用的压力 传感器有应变片压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、压阻传感器 以及压电压力传感器。 本系统采用的是西门子公司的q b e 2 0 0 2 p i o 型号压力传感器，该传感器采 用压阻原理，用合成树脂浇注而成一体，测量不受温度变化影响，具有高温度稳 7 北京邮电大学硕士论文 基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 定性，非常适合用来测量温度较高的管道水压。 该压力传感器的性能指标如下： 测量范围：o o 6 m p a 工作电压：d c l 6 3 3 v 测量精度： 士o 3 输出电压：0 1 0 v 在实际使用中，压力传感器与温度传感器一样，根据压力与电阻的变化，测 出传感器两端的电压得出实际测量的压力。 流量传感器主要用于检测太阳能新风系统关键管道中水的流量。流量传感器 是一种测量精度高的传感器，目前常用的压力传感器有电磁流量传感器，也叫电 磁流量计。 本系统采用的是北京万群自动化控制设备有限公司生产l d g 系列电磁流 量计，该流量计内核采用高速中央处理器，配备背光宽温的中英文液晶显示器， 功能齐全、操作方便、测量显示直观、精度和稳定性好、满足现场条件无需接环， 具有高精度、高可靠性、使用寿命长等优点。 该电磁流量计的性能指标如下： 测量范围：流量测量范围是0 1 3 m 3 s 工作电压：d c 2 4 v 测量精度：士o 2 输出电流：4 - 2 0 m a ， 现场显示断电保存时间：1 0 年 测量口径：1 5 m m 流量传感器的原理是根据法拉第电磁感应定律，液体流过传感器导管的流速 与切割磁感线而产生感应电动势成一定的比例对应关系。在实际使用中，流量计 的输出信号是4 , - , 2 0 m a ，经过定值电阻转换测得传感器两端的电压进而得出实际 的流量测量值。 2 2 2 执行器及其应用 在新风测控系统中用到的电动调节阀门，用来调节管道内水的流量。我们选 用瑞士b e l i m o 的l r u 系列球阀非弹簧复位角行程执行器，它们适用于二通、 三通球阀( 管径d n 2 5 3 2 ) 。 电动调节阀选用的是l r u 2 4 s r 调节型球阀角行程执行器，该执行器的基本 性能指标如下： 北京邮电大学硕士论文基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 额定电压范围：a c d c1 9 2 。2 8 8 v 功耗：1 5 w - 运行o 4 w 二保持 导线规格：3 v a 控制信号：0 1 0 v d c ( 输入阻抗1 0 0 k w ) 工作范围：2 1 0 v d c 位置反馈：2 1 0 v d c ，最大输出l m a 电气保护等级：安全低压 重量：0 5 5 k g 在实际使用中，电动调节阀的控制信号为0 1 0 v ，通过输入不同的电压值， 可以控制调节阀的开关位置，进而调节流量。 2 2 3 变频器及其应用 日本安川公司的节能、高效率风机水泵控制专用变频器v a r i s p e e de 7 。它是 智能化的节能变频器，特别设计用于泵和风机，主要是应用于具有二次方的递减 转矩性质的负载，其次它的高速过电流限制功能可实现真正无中断运行。 该变频器的性能指标如下： 电压等级：4 0 0 v 最大适用电机容量：1 5 k w 。 ， 额定输出容量：1 6 k v a 额定输出电流：2 1 a ， 最大输出电压：三相3 8 0 - 一4 8 0 v ( 与输入电压对应) 最高输出功率：2 0 0 h z 额定电压：三相3 8 8 0 v 额定频率：5 0 6 0 h z 容许电压变化范围：+ 1 0 ，1 5 容许频率变化范围：4 - 5 速度控制范围：1 ：4 0 频率设定信号：4 2 0 m a ( 2 5 0 q ) ，时1 0 v ( 2 0 k q ) 变频器电机，通过设定不同的频率控制电机的转速，进而控制总流量的大小。 2 3 测控系统组网方案 在控制系统领域，集散控制系统( d c s ) 目前在工控界仍占主导地位，其核 9 北京邮电大学硕士论文 基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理 功能。若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网 络互连以实现相互之间的信息传递。由于不同的d c s 厂家为达到垄断经营的目 的而对其控制通讯网络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的d c s 系统之间以 及d c s 与上层i n t r a n e t ，i n t e r n e t 信息网络之间难以实现网络互连和信息共享， 因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭专用的、不具可互操作性的分布 式控制系统，且d c s 造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开 放化标准化和降低成本的迫切要求。 现场总线( f i e l db u s ) 是应用在生产现场的，在测量控制设备之间实现双向、 串行、多点通信的数字通信系统。现场总线把通用或者专用的微处理器置入传统 的测量控制仪表，使之具有数字计算机和数字通信能力，采用一定的介质( 如双 绞线、同轴电缆、光纤、无线、红外线等) 作为通信总线，按照公开、规范的通 信协议，在位于现场的多个设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现 数据传输和信息交换，形成各种适应实际需要的自动化控制系统。 现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点，而这些正是d c s 系 统的缺点。d c s 通常是一对一单独传送信号，其所采用的模拟信号精度低，易 受干扰，位于操作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障，处于“失 控”状态，很多的仪表厂商自定标准，互换性差，仪表的功能也较单一，难以满 足现代的要求，而且几乎所有的控制功能都位于控制站中。f c s 则采取一对多双 向传输信号，采用的数字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程 监控和可控状态，用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联，智能仪表具 有通信、控制和运算等丰富的功能，而且控制功能分散到各个智能仪表中去。由 此我们可以看到f c s 相对于d c s 的巨大进步【s 】。 现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一个全分布控制系统，它 作为智能设备的纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接成网络系 统，并通过组态进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿控制、参数修改、 报警、显示、监控以及测、控、管一体化的综合自动化功能。 2 3 1现场总线的定义及其特点 1 9 8 4 年，现场总线的概念得到正式提出。i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，国际电工委员会) 对现场总线( f i e l d b u s ) 的定义为：现场总线是一 种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、 多结点的数字通信技术【1 0 1 。 1 0 北京邮电大学硕士论文基于a r m 的嵌入式新风测控系统设计与控制算法研究 不同的机构和不同的人可能对现场总线有着不同的定义，不过通常情况下， 大家公认现场总线的本质体现在以下六个方面： 1 现场通信网络 用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。 2 现场设备互联 依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关 联。 3 互操作性 用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制 回路，从而可以自由地集成f c s 。 4 分散功能块 f c s 废弃了d c s 的输入输出单元和控制站，把d c s 控制站的功能块分散 地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。 5 通信线供电 通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式提供用 于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅。 ， 6 开放式互联网络 现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互 联，还可以实现网络数据库的共享。 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，传统模拟控制系统采用一对 一的设备连线，按控制回路分别进行连接。现场总线系统由于采用智能设备，使 控制系统功能不依赖控制室的计算机或者控制仪表，直接在现场完成，实现了彻 底的分散控制。由于采用数字信号代替模拟信号，因此可以实现一堆电缆上传输 多个信号( 包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息) ，同时又为多个设 备提供电源；现场设备以夕卜不再需要a d 、d a 转换部件【9 】。这样就为简化系统 结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。 现场总线具有以下技术特点： ( 1