智能家用中央空调控制系统设计

智能家用中央空调控制系统设计摘要家用中央空调是智能建筑中的一个很重要的组成局部。随着我国经济的开展和人们生活水平的提高，家用中央空调的使用将越来越普遍。本设计以家用中央空调为研究对象，在分析研究家用中央空调工作原理的根底上，采用以单片机为核心的家用中央空调控制系统，实现对空调房间温度、湿度、新风等参数的自动控制。提出PID控制和模糊控制进行切换控制的思想，提高了空调的运行效率，到达高效节能的效果，对于现代智能建筑空调设计有着一定的现实意义。针对家用中央空调要实现的功能设计了硬件和软件。硬件设计主要包括输入电路，单片机系统和接口电路，输出电路三局部，特别是温度检测采用DS18B20温度传感器，最大的特点是硬件连接非常简单、检测精度高。软件设计主要包括温度采样，控制算法的实现，控制量的输出，这些是控制器控制功能的核心局部。模糊PID控制器设有两个独立的控制通道，当偏差较大时，采用模糊控制，加快响应速度；当偏差较小时，采用PID控制，提高控制品质。模糊控制采用查表法；PID控制采用增量式算法。关键词：家用中央空调；风机盘管；模糊控制；PID控制Intelligentcontrolofhomecentralair-conditioningsystemdesignAbstractHomecentralair-conditioningisanimportantpartoftheIntelligentBuildingThedesignistargetedatthehomecentralair-conditioning,intheanalysisofhomecentralairconditioning,basedontheuseofsingle-chipmicrocomputerasthecoreofhomecentralair-conditioningcontrolsystems,toachieveanair-conditionedroomtemperature,humidity,windandotherparametersofthenewautomation.ProposedPIDcontrolandfuzzycontrolofthethinkingofswitchingcontrol,improvetheoperatingefficiencyoftheair-conditioningtoachievehighefficiencyandenergysavingeffect.Hardwaredesignincludinginputcircuit,single-chipmicrocomputersystemandtheinterfacecircuit,theoutputcircuitofthreeparts,especiallythetemperaturedetectedbytemperaturesensorDS18B20,thebiggestfeatureisverysimpletoconnectthehardwaredetectionandhighaccuracy.Softwaredesignincludingtemperaturesampling,therealizationofcontrolalgorithmtocontrolthevolumeofoutput,allofthesearethecontrollerofthecoreofthecontrolfunctions.FuzzyPIDcontrollerwithtwoseparatecontrolchannel,whenthedeviationislarger,theuseoffuzzycontrol,tospeeduptheresponsetime;deviationsmallerwhenusingPIDcontrol,improvequalitycontrol.fuzzycontrolusingLook-uptablemethod;PIDcontrolalgorithmusingincremental.Keywords:homecentralair-conditioning;fancoil;fuzzycontrol;PIDcontrol目录摘要IAbstractII第一章家用中央空调的概述11.1我国住宅建设和家用空调的开展11.2家用中央空调的特征21.3家用中央空调的分类和组成4家用中央空调的分类4家用中央空调的组成61.4家用中央空调的系统设计6家用中央空调制冷循环工作原理6家用中央空调系统的设计8其他系统结构组成13第二章家用中央空调自动控制系统简介152.1家用中央空调自动控制系统介绍15空调自动调节系统分类15家用中央空调自动调节系统的特点162.2家用中央空调的常用控制部件介绍172.3家用中央空调控制的开展方向18控制风机盘管方法的比拟192.4模糊PID控制技术介绍232.4.1PID控制技术23模糊控制技术介绍25模糊控制算法26模糊控制器的设计32第三章家用中央空调控制器设计343.1家用中央空调控制器的硬件设计34主控电路35输入电路40输出电路433.2家用中央空调模糊PID控制器的软件设计46控制模块的设计46温度采集程序设计54按键程序设计54第四章系统的调试574.1硬件调试574.2软件调试58总结60参考文献62附录A64附录B68附录C69致谢78家用中央空调的概述我国住宅建设和家用空调的开展随着生活水平的提高，人们对住宅和居住舒适度的要求也在提高。从过去的“居者忧其屋”转变成“居者有其屋”，即从无房到有房〔自主产权〕的转变；从“居者有其屋”转变成为“居者优其屋”，即对室内舒适的要求从可居性标准向舒适性标准转变，人们对家居环境的舒适性和健康性的要求越来越高。当前我国住宅仍处于解决紧缺的粗放型开展阶段，实现向舒适型集约化的转变必须加快技术创新和技术进步，用信息化、工业化和集约化改造住宅产业，使住宅生产走上科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型开展道路。舒适型的居住需求集中表达在五个方面：一是住宅的功能空间要更加合理，要在较小的空间内创造较大的舒适度，提高单位住宅面积使用率和功能空间的合理性；二是住宅的物理性能要有较大的改善。住宅保温、隔热、通风、采光、日照等物理性能，越来越成为衡量住宅质量的重要因素。三是住宅设施、设备的装备水平要进一步提高，厨房、卫生间设施，采暖与制冷系统，智能化技术系统的高效性、实用性已成为表达住宅舒适性的重要内容；四是居住区的环境配套水平要更加完善，要创造自然和谐、朴实优美、平安环保、舒适便捷的住区环境；五是住宅的耐久性要延长，住宅具有价值量大、位置固定的特点，对耐用性有很强要求。应当在目前砖混结构50年的根底上，延长住宅使用寿命。推动住宅建设质的飞跃和住宅的更新换代，是市场开展的必然要求。我国建筑业特别是住宅产业的持续高速开展，带动了房间空调器的快速增长。我国第一台窗式空调器于1965年在上海诞生；改革开放以来，我国的空调产业从无到有，从小到大，从引进世界先进技术到自我研发创新，取得了令人瞩目的长足开展。随着国民经济的持续开展，人民的生活水平稳步提高，住宅空调迅速普及。在全国大局部地区特别是气候炎热和夏热冬冷的经济比拟兴旺地区，每百户居民空调器拥有量迅速增加。住宅面积的增大，消费观念的改变，生活质量的提高，舒适性需要的增加，个性化要求的彰显，一户拥有多台空调器的住户已不在少数。与此相应，家用空调也从窗式、分体式空调的单一方式开展到窗式、分体式、家用中央空调、住宅小区中央空调等多种空调方式，特别是家用中央空调更是异军突起，得到了迅猛的开展。家用中央空调的特征家用中央空调又可称为户用中央空调、户式中央空调，它是集中处理空调负荷的系统形式，其冷热量通过一定的介质输送到空调房间，以满足居住的舒适性要求。它是介于传统中央空调和家用空调器两者之间的一个新领域，是随着人们住房条件的改善和生活质量的提高而逐渐开展起来的一种空调新潮流、新方式。随着家用中央空调研究和制造技术水平的提高，它正以其巨大的潜力和应用优势取得突破性的开展，并将成为我国21世纪空调产业开展方向之一。家用空调行业的开展主要取决于一个国家的综合经济实力，而且与建筑业的开展关联度极高，并且有着其自身技术开展的内在必然性。建筑物用舒适性空调按传统方式可分为中央空调和家用空调两大领域。中央空调主要指用于为大型公共建筑提供冷热量需要的大中型冷热水机组系统。而家用空调主要指为居住用房提供冷热需要的窗式、分体式和柜式空调器等房间空调器。家用中央空调是介于中央空调和房间空调器两个领域之间的新的空调开展领域，为我国家用空调开展带来了新的技术解决方案。到目前为止，对于以办公为主的公用建筑物来说，其供暖制冷设备是以提高工作效率为主要目的进行规划设计的，而对于公共住宅，那么要根据居住者的生活方式、年龄、家庭成员的构成、地区以及社会环境的变化等各种因素满足用户对房间的使用要求及随时间变化的要求等，目的是为用户提供健康、平安、舒适的生活空间。家用中央空调制冷范围大致在7~80kw，可供给单元住房面积在80~600㎡的多居室公寓、复式公寓、别墅、小型办公楼及小型商业用房使用。多个家庭中央空调系统的组合可供给更大空调面积使用。从某种意义上来说，家用中央空调系统适用范围已超出传统的住宅观念，用途更广了。家用中央空调那么兼具中央空调和房间空调器两者的优点。与传统的中央空调相比，省却了专用机房和庞大复杂的管路系统，维护管理方便，使用计费灵活。对住户来说，既能充分享受中央空调的舒适性，又可根据自己的个性化需要方便灵活使用，合理承当日常运行费用，而且在进行室内装修时可结合空调的布置凸显装饰个性。家用中央空调作为一个小型化的独立空调系统，能耗在大型冷水机组与传统的房间空调器之间，在制冷方式、机组结构、空气处理方法上根本与大型中央空洞系统类似，可实现建筑与空调的和谐，提高居住环境的舒适性。日常运行费用低于大型中央空调系统，略高于房间空调器。与传统的房间空调器相比，家用中央空调具有舒适、调节方便、噪声低、振动小、不破坏建筑外观等突出的优点，家用中央空调机组可同时解决多个房间的冷热，大局部机组可引入新风，改善室内空气品质，免除“空调病”的烦恼；在空调系统设计上，可与厨房、卫生间排风统一考虑，形成有效合理的气流流向，提高通风效率，有效地利用引入室内的新风：可实现各居室的个性化需求，温度分布均匀，波动小，舒适感好；多种规格的室内机选样可与室内装修紧密结合，营造雅致宜人的室内环境效果，室外机布置可与建筑设计同步考虑，融入建筑整体效果或尽量防止对建筑景观的干扰；可免除传统分体机的制冷剂连接管暴露并悬挂在室内外半空中的不雅观等问题。在我国目前的经济开展水平和市场条件下，家用中央空调的开展具有良好的市场前景和巨大的开展潜力，家用中央空调作为“以人为本，个性开展”的空调开展新潮流，不但能够为众多的国内生产厂商带来巨大的商机，而且开辟出一个家用中央空调“设计生产、配套、安装、效劳”的崭新模式，启动家用中央空调的巨大市场。预计未来几年内，家用中央空调市场占有率将到达10％以上。家用中央空调的分类和组成家用中央空调的分类根据家用中央空调冷、热量输送介质的不同，可将家用中央空调分为风管式系统、冷热水系统、制冷剂系统三种类型。1．风管式系统风管式系统以空气为输送介质，其原理与大型全空气中央空调系统的原理根本相同。它利用室外主机集中产生冷热量，将从室内引回的回风(或回风和新风的混合风)进行冷却(加热)处理后，再送人室内消除其空调冷热负荷。相对于其他的家用中央空调形式，风管式系统初投资较小。如假设引入新风，其空气品质能得到较大的改善。但风管式系统的空气输配系统所占用建筑物空间较大，一般要求住宅要有较大的层高。而且它采用统一送风的方式，在没有变风量末端的情况下，难以满足不同房间空调负荷的要求。而变风量末端的引入将会使整个空调系统的初投资大大增加。美国的家用中央空调形式是以风管式系统为主、其具体形式多种多样。这主要是由于美国别墅型住宅具有宽敞、高大的特点，通常由中、高收入的家庭居住。由于其层高较大，具有足够的建筑空间用于布置风道，因此在美国，风管式系统在家用中央空调中所占的比重相当大。同时，出于美国居民对家用中央空调舒适性的要求较高，因此多采用有新风的风管式系统。2．制冷剂系统变制冷剂流量空调系统是一种制冷剂空调系统，它以制冷剂为输送介质，室外主机内外侧换热器、压缩机和其他制冷附件组成，末端装置是由蒸发器和风机组成的室内机。一台室外机通过管路能够向假设干个室内机输送制冷剂液体。通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内各换热器的制冷剂流量，可以适时地满足室内冷、热负荷要求。制冷剂系统具有节能、舒适、运转平衡等诸多优点，而且各房间可独立调节，能满足不同房间不同空调负荷的需求。但该系统控制复杂，对管材材质、制造工艺、现场焊接等方面要求非常高，且其初投资比拟高。日本的家用中央空调是以冷剂式系统为主。这是由于在20世纪90年代以前，日本在空调设备开发和控制技术上都处于世界最前沿，这为日本开展制冷剂系统提供了技术保证。同时，日本人口密度非常大，其住宅多属于高密度住宅，其层高一般均较低，不适合布置需要占用较大层高的风管式空调系统。家用空调作为能源消耗大户，其节能技术的开发尤其受到重视。制冷剂系统的节能性是其在日本得到广泛应用的一个重要原因。以上这些因素决定了日本家用中央空调的形式以制冷剂系统为主。3．冷热水机组该机组的输送介质通常为水或乙二醇溶液。它通过室外主机产生出空调冷热水，由管路系统输送至室内的各末端装置，在末端装置处冷热水与室内空气进行热量交换，产生出冷热风，从而消除房间空调负荷。它是一种集中产生冷热量，但分散处理各房间的空调系统形式。该系统的室内末端装置通常为风机盘管。目前风机盘管一般均可以调节其风机转速(或通过旁通阀调节经过盘管的水量)，从而调节送入室内的冷热量，因此该系统可以对每个空调房间进行单独调节，满足各个房间不同的空调要求，同时其节能性也较好。此外，由于冷热水机组的输配系统所占空间很小，因此一般不受作宅层高的限制。但此种系统一般难以引进新风，因此，对于通常密闭的空调房间而言，其舒适性较差。我国的家用中央空调主要是以冷热水机组为主，目前其产量占我国家用中央空调总量的70%以上。这主要是由于我国的风冷热泵技术经过多年的探索和研究，已经根本成熟，而在风机盘管技术上我国目前已经处于世界领先水平。因此我国开展冷热水机组在技术上有保证。另外，冷热水机组不需要占用太多建筑层高，在住宅内布置较为方便，且施工简单．安装费用低；而风管式系统的设置需与建筑结构相配合，占用建筑空间大，且施工不方便。对于制冷剂系统，还存在流量控制问题、管道材质问题、管道施工问题等需进一步研究和完善的方面；且制冷剂系统的初投资较高，限制了它的广泛使用。家用中央空调的组成家用中央空调产品的种类很多，有整体式、分体式，但大局部是分体式。这是因为分体式可将压缩机置于窗外可大大降低室内生活环境的噪声。目前其组成有一二十种之多，见附录A：表A.1。随着家用中央空调产品的开展，同时也为了满足人们对生活品质更高的要求，已有许多家用中央空调设备己与其他生活设备或辅助设备结合起来使用。例如，空气源热泵冷热水机组冬天在较寒冷地区的制热效果不好，为了提高舒适性．这时往往配置辅助电加热器或采用地板辐射采暖等，以满足冬季供暖的需要。更受欢送的组合是空气源单冷冷水机配燃气热水炉，既可满足家庭供冷暖的需要，又能提供生活热水、供暖的方式也可选择风机盘管、传统的热水散热器或地板辐射采暖；能够实现上述供冷暖、供生活热水的家用中央空调设备还有直燃型溴化锂冷热火机组。除此以外，还有绿色能源、可再生能源如太阳能、地热能、风能的利用等：家用中央空调系统的组成方式应满足当地的气候条件、地理环境、生活习惯的要求．还要根据当地的能源供给状况、能源使用价格等众多因素决定。因此，其组成方式可以是因地而异，因人而异，多种多样的；同时各个家用中央空调生产厂家仍在不断研究和开发新产品。家用中央空调的系统设计家用中央空调制冷循环工作原理人工制冷就是借助一种专门装置，消耗一定的外界能量，迫使热量从温度较低的被冷却物体，转移到温度较高的周围介质，得到人们所需要的各种低温，这种专门装置称为制冷装置。人工制冷的方法有蒸发相变制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷。其中液体蒸发相变制冷的应用最为广泛，它是利用液体汽化时的吸热效应而实现制冷的。蒸发相变制冷有三种类型：蒸气压缩式、吸收式和蒸气喷射式。中、小型空调装置都采用蒸气压缩式制冷，而吸收式制冷主要用于—些大型空调系统中。家用中央空调是小型空调装置主要用蒸气压缩式制冷循环。空调器工作过程空调器中的制冷装置是由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等部件构成的。它们通过管道连接形成一个封闭的系统，系统中充注着制冷剂R22〔氟利昂22〕，由压缩机和节流阀的节流而完成整个系统的循环工作。制冷剂在循环中经过四个热力变化过程，其工作过程如图1.1所示：图1.1空调器制冷工作过程〔1〕蒸发过程低压制冷剂进入蒸发器中即进行汽化，变成低压蒸气，吸收被冷却物的热量使被冷却物温度降低进行制冷。〔2〕压缩过程蒸发器中的制冷剂低压蒸气被压缩机吸入到气缸中进行压缩，压力和温度都升高后被排入到冷凝器中。〔3〕冷凝过程此过程由冷凝器来完成，蒸气状态的制冷剂在冷凝器中把所吸收的热量排出系统，同时制冷剂蒸气冷凝为液体，以便再循环使用。冷凝器是一个散热器。〔4〕节流过程节流过程也可认为是降压过程。它是用节流元件来减小其流量，降低其压力。在小型空调器中，一般采用毛细管来实现节流过程，也有用热力膨胀阀或电子膨胀阀进行节流。在压缩机不停的运行中，上述四个热力过程连续不断地进行循环完成空调器的制冷过程。家用中央空调系统的设计1．家用中央空调系统的比拟和选择各种家用中央空调系统有不同的优缺点和适用范围，其优缺点的概略比拟见附录A：表A.2。根据其优缺点，本设计选择以空气源热泵冷热水机组为设计的研究对象。主要研究空气源热泵冷热水机组系统的末端系统的智能控制系统。2．空气源热泵冷热水系统设计空气源热泵冷热水系统主要由冷热水机组，水循环系统、风机盘管系统和膨胀水箱组成，膨胀水箱用于调节系统水量。空气源热泵冷热水机组的介绍“热泵”是指风可以在低温环境下吸收热量，并将其位能提高后，向高温环境输出热量的装置机械。这样的系统可以不用水冷，省却了冷却塔。空气源热泵冷热水机组就属空气一水热泵，其机组室外侧是通过空气进行热交换，室内侧产生空调冷热水，由管路系统输送到空调房间的末端装置，在末端装置处冷热水与房间空气进行热量交换，产生冷热风，从而实现空调房间的夏季供冷和冬季供暖效果。该机组属于一种集中生产冷热水，但分散处理各房问负荷的空调系统形式。图1.2是空气源热泵冷热水机组示意图。图1.2空气源热泵冷热水机组示意图空气源热泵冷热水机组的家用中央空调的制冷剂循过程是：制冷时机组的风冷换热器为冷凝器，机组的水冷换热器为蒸发器；制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体，在风冷换热器中冷凝放热，成为高压过冷液，再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入水冷换热器蒸发吸热(此时载冷剂被冷却)，最后再回到压缩机进入下一循环。制热时热源是室外空气，机组的风冷换热器为蒸发器，机组的水冷换热器为冷凝器；制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体，在水冷换热器中冷凝放热(此时载冷剂被加热)，成为过冷液，成为过冷液，再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入风冷换热器蒸发吸热，最后再回到压缩机进入下一循环。冷热水机组的制冷剂循环中并没有直接将制冷剂作为输送介质送到用户的换热器中，而是通过水冷换热器将制冷剂的冷热量传给专门的输送介质—载冷剂送到用户端。这种载冷剂通常为水。特别要指出的是，在设计风冷热泵型机组时，其制热过程在室外温度低于0℃时，风冷换热器的扇片外表温度因低于空气露点温度，水蒸气会在扇片上凝结，故需要进行合理除霜处理。同时利用高温高压的制冷剂气体的过热焓，给空调提供热量，但是，这会要求主机的制热功率加大，而且，当气温越低，所需的热负荷越大，而主机的制热能力却越低，造成了矛盾。当气温低于风冷热泵的平衡温度以下时，一般也只能加辅助热源的方法，来增加其制热功率。辅助热源一般可以用电加热器水循环系统的设计在家用中央空调的空气调节中，通常用水作为载冷剂来实现热量的传递，因此水系统是家用中央空调系统的一个重要组成局部。空气源热泵冷热水机组家用中央空调的水系统包括冷〔热〕水系统、冷凝水排放系统。冷冻水循环系统：来自空调设备的冷冻水回水经集水器、除污器、循环水泵，进入冷水机组蒸发器内，吸收了制冷剂蒸发的冷量，使其温度降低成为冷冻水，进入分水器后再送入空调设备的末端风机盘管内，与被处理的空气进行热交换后，再回到冷水机组内进行循环再冷却。热水循环系统：主要是完成冬季空调设备所需的热量，使其加热空气用。从各用户换热器返回的低温回水在集水器中混合，经循环水泵加压送入水冷换热器中换热成为高温载冷剂进入分水器，再由分水器分流进入各空间的空调设备的表冷器或风机盘管内与被处理的空气进行热交换后，水由回水管路回到集水器中，进入下一循环。冷凝水排放系统：排放空调表冷器外表因结露而形成的冷凝水的水管。风机盘管系统风机盘管系统工作原理该系统的室内末端装置通常为风机盘管。风机盘管是由风机、换热盘管(小型外表式换热器)和机壳组成，直接安装在房间内，风机将室内一局部空气进行循环处理(经空气过滤器过滤和盘管进行冷却或加热)后直接送入房间，以到达对室内空气进行温、湿度调节的目的。房间所需要的新鲜空气可以通过门窗的渗透或直接通过房间所设新风口进入房间，或将室外空气经过新风处理机组集中处理后由管道直接送入被调房间，或者由风机盘管的空气入口处与室内空气进行混合后经风机盘管进行温度、湿度处理后送入室内，以满足室内环境的卫生要求。风机盘管系统是属于半集中式空调系统。风机盘管机组由风机、电动机、盘管、空气过滤器、室温调节装置及箱体等组成。按风机盘管机外静压可分为标准型和高静压型、按风机盘管排数可分为两排和三排，换热盘管一般是采用铜管铝翅片，风机一般采用双进风前弯形叶片离心风机。风机盘管机组一般容量范围为：风量0.007~0.236m/s、制冷量2.3~7kw、风机电动机功率30~100w、水量约0.14~0.22l/s、盘管水压损失10~35kpa等。风机盘管空调系统具有以下特点：〔a〕风机盘管空调系统在运行中噪声比拟小。〔b〕风机盘管空调系统具有各自独立调节的优越性。由于风机盘管的分级转速可以分为多档，而且水路系统又采用冷、热水自动控制以及房间温度调节器的控制等，因而可以灵活的调节各个房间内的温度，室内无人时又可以停止机组的运转，做到既节约能源，又经济运行。〔c〕系统可以比拟容易的实现分区调节控制。〔d〕由于风机盘管空调器体积较小，布置和安装都比拟方便。〔e〕由于风机盘管空调系统省去了回风道，同时缩小了送风管道的断面尺寸，因而减少了或不占用建筑面积和空间及一次投资费用。风机盘管控制工作原理风机盘管控制多采用就地控制的方案，分简单控制和温度控制两种：风机盘管简单控制：使用三速开关直接手动控制风机的三速转换与启停。风机盘管温度控制：使用温度控制器根据设定温度与实际检测温度的比拟、运算，自动控制电动两/三通阀的开闭；风机的三速转换，或直接控制风机的三速转换与启停，从而通过控制系统水流或风量来控制送入室内的冷热量，以到达对每个空调房间进行单独控制和调节，满足各个房间不向的个性化空调需求，同时其节能性也较好。由于控制阀门的开度，来控制水的流量的一般受外界的因素影响较大，控制不稳定，这个控制器以控制风机的转速为方向。当空调房间内冷热负荷发生变化时，改变风机盘管机组中的风机转速，从而改变通过风机盘管机组的处理空气量，实现房间内的温湿度调节。控制风机的转速是调压控制方式，输出的矢量是电压。风机盘管空调系统，没有大风道，只有水管和较小的新风管，具有布置和安装方便、占用建筑空间小、单独调节好等优点，广泛用于温、湿度精度要求不高、房间数多、房间较小、需要单独控制的舒适性空调中。设计的家用中央空调空气源热泵冷热水机组安装方便，省去了冷却塔，可安装于屋顶、阳台或室外，只需连通冷热水管路、水泵即可进行系统冷热水循环。该机组运转噪声低，对环境影响小，与同等能力的其他类型空调机相比，运转更加平稳，从而拓宽了其适用范围。小型冷热水空调系统，可满足用户多居室需求，可适应用户的个性化需求，不受其他用户影响；采用主机与末端别离安装方式，保证了宁静的居室环境；主机由微电脑控制，在室内可完成全部操作；室内末端安装可采用暗藏方式，极适宜配合室内装修；系统可根据实际负荷自动化运行，节约能源及运行费用；将供冷、供暖费直接转化为电费，开机计费，停机那么不计费，收费直观、合理。图1.3空气源热泵冷热水家用中央空调系统图。图1.3空气源热泵冷热水家用中央空调系统图其他系统结构组成为了到达空调的目的，发挥空调的作用，空调系统就是对空气进行处理和调节，除了对空气的降温和加热，其系统的结构组成还应包括以下几局部：〔1〕新风局部空调系统在运行过程中必须采用一局部室外的新鲜空气(即新风)，这局部新风必须满足室内人员所需要的最小新鲜空气量，因此空调系统的新风取入量决定于空调系统的效劳用途和卫生要求。新风的导入口一般设在周围不受污染影响的地方。这些新风的导入口和空调系统的新风管道以及新风的滤尘装置(新风空气过滤器)、新风预热器(又称为空调系统的一次加热器)共同组成了空调系统的新风系统。〔2〕空气的净化局部空调系统根据其用途不同，对空气的净化处理方式也不同。因此，在空调净化系统中有设置一级初效空气过滤器的简单净化系统，也有设置一级初效空气过滤器和一级中效空气过滤器的一般净化系统，还有设置一级初效空气过滤器，一级中效空气过滤器和一级高效空气过滤器的三级过滤装置的高净化系统。〔3〕空气的热、湿处理局部一般情况下，对空气进行加热、加湿和降温、去湿，将有关的处理过程组合在一起，称为空调系统的热湿处理局部。在对空气进行热、湿处理过程中，采用外表式空气换热器(在外表式换热器内通过热水或水蒸气的称为外表式空气加热器，简称为空气的汽水加热器)。设置在系统的新风入口，一次回风之前的空气加热器称为空气的一次加热器；设置在降温去湿之后的空气加热器，称为空气的二次加热器；设置在空调房间送风口之前的空气加热器，称为空气的三次加热器。三次空气加热器主要起调节空调房间内温度的作用，常用的热媒为热水或电加热。在外表式换热器内通过低温冷水或制冷剂的称为水冷式外表冷却器或直接蒸发式外表冷却器，也有采用喷淋冷水或热水的喷水室，还有采用直接喷水蒸汽的处理方法，来实现空气的热湿处理过程。〔4〕空气的的输送和分配、控制局部空调系统中的风机和送、回风管道称为空气的输送局部。风管中的调节风阀、蝶阀、防火阀、启动阀及风口等称为空气的分配、控制局部。根据空调系统中空气阻力的不同，设置风机的数量也不同，如果空调系统中设置一台风机，该风机既起送风作用，又起回风作用的称为单风机系统;如果空调系统中设置两台风机，一台为送风机，另一台为回风机的空调系统称为双风机系统。家用中央空调自动控制系统简介家用中央空调自动控制系统介绍对家用中央空调自动控制有简单或复杂的调节，其根本的自动调节系统都是由以空调房间为主的调节对象及检测与变送装置、调节器、工况转换和执行器与调节机构等环节组成的闭环系统，如图2.1所示。图2.1空调自动调节系统方框图空调自动调节系统独特的地方是具有实现节能的多工况转换局部。它可以由电气控制线路、智能仪表设备(如PLC)，或者由空调专用控制机或DCS等软件来实现。空调自动调节系统分类〔1〕按空调自动调节的参数不同，可分为温度、湿度、力、流量、液位等调节系统。〔2〕按被调参数的给定值不同，可分为定值调节系统，如温湿度自控系统大多属定值调节；程序调节系统，给定值按某一确定的程序变化；随动调节系统，被调参数的给定值是某一未知变量的函数。〔3〕按自动调节装置实现调节动作与时间关系的系统。该类系统可分为连续调节系统和断续调节系统。〔4〕按结构特点可分为简单调节系统和复杂调节系统。空调都采用简单调节系统。家用中央空调自动调节系统的特点〔1〕干扰因素多家用中央空调系统中，影响空调房间温湿度干扰源是较多的。这些干扰分为来自外部的外扰和来自内部的内扰。外扰主要是送风及建筑围护结构传热的扰动。内扰指房间内电器、照明散热量、工艺设备的启停、室内人员散热量以及室内外物品流动等变化对室内温湿度产生的影响。为了抑制或消除这些干扰，除了在建筑热工和空调工艺方而采取有效措施外，在自控设计时应分析干扰来源及影响的大小，选择合理的控制方案。〔2〕调节对象的特性空调自动控制系统的主要任务是维持空调房间一定的温湿度。对恒温恒湿控制的效果如何，在很大程度上往往取决于空调系统而不是自控局部。所以，在空调自控设计时，首先要了解空调对象的特性，以便选择最正确控制方案。〔3〕温度与湿度的相关性空调控制中主要是温度和相对湿度的控制，这两个参数常常是在一个调节对象里同时进行调节的两个被调量。两个参数在调节过程中又相互影响。如某些原因使室内温度升高，引起空气中水蒸汽的饱和分压变化，在含湿量不变的情况下，将使相对湿度减少。例如在夏季采用表冷器进行降湿调节，开大冷水阀时，其结果使湿度恢复正常，但却使温度受到影响而降低。在自控设计时必须考虑温湿度的相关性。〔4〕具有工况转换的控制由于空调系统是按工况运行的，所以空调自动控制设计中包括工况自动转换局部。例如夏季工况在表冷器工作时(假设仅调节温度)，通过工况转换，控制冷水量，调节温度。而在冬季需转换到加热器工作，控制热媒，调节温度。以上是最根本的工况转换控制。此外，从节能出发进行工况转换控制。全年运行的空调系统，由于室外空气参数及室内热湿负荷变化，采用多工况的处理方式能到达节能的目的。为了尽量防止空气处理过程的冷热抵消，充分利用新、回风和发挥空气处理设备的潜力，在空调自控设计时除了以温湿度为主的自动调节外，还必须考虑与其相配合的工况自动转换的控制。家用中央空调的常用控制部件介绍空调控制系统主要控制空调装置正常运行，防止压缩机和风扇电动机因其过载而烧毁。一般的空调系统都要有以下的控制部件。1．起动和保护装置为了保证电动机的正常起动与运行平安，设置了各种形式的起动和保护装置。〔1〕起动继电器起动继电器的作用就是在单相异步电动机起动时让起动绕组接入，使电动机形成旋转磁场，且具有足够的转矩，让电动机能正常起动；而当电动机转速到达其额定转速的70%~80％时，又自动将电动机的起动绕组从电路中断开。在电动机进行下一次起动时，又重复着上述作用。〔2〕起动电容器和运行电容器电容器是一种充、放电的电器元件，它的充、放电作用能供给额外的电功率和转矩，在空调装置中用来起动和运转电动机。空调装置中的电容器有起动电容器和运行电容器。〔3〕过负荷保护器当空调室内热负荷过大、环境温度过高、室外侧冷凝器散热效果很差、压缩机卡缸、电气线路短路时，均可引起空调装置压缩机过负荷，容易将压缩机电动机烧毁。所以，在空调装置中均安装有过负荷保护器，以防空调电动机过负荷烧坏。2．温度控制器空调装置中温度控制器(简称温控器)可根据室内温度上下来控制压缩机的开停。当室内温度高于温控器的设定值时，温控器可使电路接通，起动空调装置运转制冷。分为压力感温式温度控制器和电子式温度控制器3．化霜控制器热泵型空调装置在冬季工作时，由于室外环境温度低，一旦室外侧换热器外表温度到达零摄氏度或更低，其外表就会结霜，随着工作时间加长，其霜层越来越厚，使气流通道阻塞，空调装置的制热量将急剧降低，甚至使空凋装置不能工作：室外换热器结霜后，除非长时间停机，否那么不会融化。所以热泵型空调装置必须安装除霜控制器，使室外换热器上的霜层融化。热气循环除霜主要分为两类：〔1〕根据要求除霜，即根据实际的霜层增长的厚度与速度来控制除霜。〔2〕根据时间周期定时切换。这种方法不管室外气温及相对湿度的上下，采用时间控制器来定时进行除霜。〔四〕压力控制器压力控制器是一种由压力信号控制的电器开关、当空调装置中压缩机的排出压力超过设定值或吸入压力低于设定值时，压力控制器的触点分别切断电源，使压缩机停止工作，起到保护和自动控制的作用。家用中央空调控制的开展方向传统空调器的温度控制是通过温度传感器感受室内温度变化，来控制压缩机的开、停〔压缩机以恒定的转速运行〕。由于房间热容量很大，温度动态响应惯性大，是一个非线性、大滞后的复杂系统，所以既难以获得精确的数学模型，又难以控制，采用压缩机的ON/OFF控制方式有一定的滞后性，造成室内温度波动性较大，影响空调的温度控制精度和人的舒适性。同时传统空调对温度的调节是一种断续的变化过程，它不能根据环境温度变化及时调整空调器工作状态〔即压缩机转速〕。随着人们生活水平的提高，人们希望环境温度始终维持在某一设定值上，在人流变化、设备运行、门的开闭等出现变化时要求实时调整制冷〔热〕工况以减少温度的波动，提高舒适感。采用传统控制方法难以到达人们预期的控制要求，所以对空调系统的末端设备风机盘管进行控制可以到达一定得效果。空调系统的末端装置直接影响着对室内环境的控制效果，也直接反映了系统的冷热量消耗。风机盘管的控制就是为了调节盘管的供冷量。从风机盘管系统的原理可知冷量的调节可采用风量调节、水量调节和水温调节，其中水温调节属于集中调节的手段，主要根据气候或人员情况对整个系统进行调节。风量调节有最简单的ON/OFF风机开停控制，手动三档风机调速，温控风机三级调速和温控风机无级调速等，水量调节有温控电磁阀通断控制和温控电动阀水量调节控制。随着自动控制理论的开展和微电子技术的进步，越来越多的控制方法被运用到风机盘管空调系统中来。自动控制中的控制算法也从简单的档位切换到比例控制、比例微分控制、PID控制及现代控制理论中的自适应控制、最优控制、解耦控制、模糊控制及网络控制等智能控制。有的风机盘管还配置了遥控装置，省去了在墙上专门布线来安装温控器等来对风机盘管进行控制。控制技术的开展，使风机盘管系统的使用更加方便，室内环境调节得更加舒适，能量的消耗也下降。控制风机盘管方法的比拟〔1〕手动三速开关控制手动三速开关控制的风机盘管一般采用定水量运行，用户根据体感的冷热感觉来调节风机盘管的档位来改变风机盘管的风量，进而调节盘管的供冷量，维持室内的温度。这种方式下的风机盘管不涉及自动控制，结构十分简单，房间中也不用安装任何类型的传感器，初投资上相对较小。由于依靠人手动调节风机盘管的档位，热舒适不好，温度控制精度很低，特别是当空调高档起动时很长时间内不能调低档，控制效果不好。〔2〕温控三级调速控制在这种方式中，风机档位的切换由人手变成了数字芯片。设置在房间中的温度传感器测得房间的实时温度，根据设定的温度值，判断应采用的动作方式，温度过高相应地降低档位，温度过低那么调高档位。由于风机的档位调节及风机盘管的供冷量受多种因素的影响，使得风机盘管的供冷量是阶跃式的变化，风机盘管的供冷量不可能刚好等于当时的冷负荷，因而即使不考虑滞后性，送入的冷量迅速在室内分布均匀，室内温度也不可能刚好在设定点上。如果室内温度一出现任意的偏差就调整风机的档位，势必使风机不停地切换档位。采用自动控制后，室内的温度得到了较好的控制，温度的波动值根本在容许的范围内，同时耗冷量也下降了。但是由于室内的初始温度较高，而此时的负荷值较小，会出现较大的温度波动，在其他的时候也会出现一样的情况，控制不够理想。〔3〕三级调速加电动调节阀控制在这种控制方式中，影响盘管供冷量的两个变量风机的风量和流经盘管的冷水量都得到调节。风机仍然采用三级调速，水量的调节也采用位式的调节规律，分成几个调节档位，可调节的最小水量为标准状况下水量的50%。与前面的控制方法相比，由于可控变量为两个，因而控制过程复杂得多，但同时调节的选择余地也大大增加，能实现更加灵活的控制和更好的控制效果。采用这种方法，室内控制的效果显著提高，温度波动明显减小，在大局部的时间里，室内温度在设定的范围内缓慢地波动。相比拟而言控制精度得到了很大的提高。〔4〕常规PID控制运用这些方法对风机和水阀的调节都是具有位式调节规律的调节器，在这种位式调节规律下，被控制量室内温度的波动范围较大，室内温度作周期性的波动，尤其是负荷率较小的时候，控制效果迅速恶化，温度波动范围扩大，波动的周期变短，控制效果变差；风机的档位切换和水阀的动作频率都提高，这对风机和水阀的寿命都是非常不利的。在整个调节过程中由于风机盘管的风量和水量均只能阶跃式地变化，使得风机盘管的供冷量呈阶跃式地变化，供冷量也就很难等于或接近当时的负荷量，发生超调。另外室内温度与设定温度的偏差量的大小没有也不能反映到调节量的大小上，调节只有方向〔调大或调小〕，而没有大小〔调多少〕，具有一定的盲目性。为了进一步提高控制效果，在空调的控制系统中引入自动控制开展历程中历史最久、最具生命力的根本控制方式－比例、积分、微分控制〔PID控制〕。由于其原理简单、使用方便、适应性强、控制品质对被控对象的特性不太敏感等特点，在现代控制理论中有着广泛的运用。常规PID控制原理是被控量对输入的偏差的比例、积分、微分三种作用的线性叠加来产生控制作用，其传递函数：(2.1)常规的PID控制具有简单、稳定性好、可靠性高的特点，而且PID调节规律对相当多的控制对象，特别是对于线性定常系统的控制是非常有效的，一般都能够得到比拟满意的控制效果，其调节过程的品质取决于PID控制器各个参数的整定。但是，常规的PID控制存在一些问题。首先，常规PID控制器不能在线整定参数；并且，常规PID控制器对于非线性、时变的系统和模型不清楚的系统就不能很好的控制，其PID参数不是整定困难就是根本无法整定，因此不能得到预期的控制效果。家用中央空调所控制的空调房间的温度、湿度具有非线性、时变性、大滞后性等，所以采用这种方法有一定的缺点。〔5〕模糊控制器模糊控制系统是一种智能自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑为理论根底，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。模糊逻辑控制系统是一种典型的智能控制系统，在控制原理上它应用模糊集合论、模糊语言变量和模糊推理知识，模拟人的思维方法，对复杂系统进行控制。模糊逻辑控制的根底是模糊逻辑，模糊逻辑从含义上比其它传统逻辑更接近人类的思想和自然语言。它能够对真实世界近似的、不确切的特征进行刻画。实际上，模糊逻辑控制是利用模糊逻辑建立一种“自由模型”的非线性控制算法，特别是在那些采用传统定量技术分析过于复杂的过程，或者提供的信息是非定性、非精确的、非确定的系统中，模糊逻辑控制的效果相当明显。在对家用中央空调的风机盘管的控制中运用模糊控制的方法是目前比拟受关注的控制方法，使控制系统更具智能化。与传统的控制相比．模糊控制具有如下特点：〔a〕适用于不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不很清楚或难以求得，只要求掌握操作人员或领域专家的经验或知识。〔b〕模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规律只用语言变量的形式定性的表达，构成了被控对象的模糊模型。在经典控制中，系统模型用传递函数描述；在现代控制领域中，那么用状态方程来描述。〔c〕该系统尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。但是简单模糊控制由于不具有积分环节，因而在模糊控制的系统中又很难消除稳态误差，而且在变量分级不够多的情况下，常常在平衡点附近会有小的振荡现象。为了使设计的控制器对非线性、时变、滞后的空调系统进行控制，同时使控制器稳定性好，可靠性高，设计了一个兼有两者优点的模糊PID控制器。目前的模糊PID控制有多种控制形式：引入积分因子的模糊PID控制器；混合模糊PID控制器；另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应PID控制、神经网络模糊PID控制等。混合模糊PID控制器又有Fuzzy-PID开关切换控制器、Smith-Fuzzy控制器、设定值迁移模糊PID控制器等，本控制系统使用的是Fuzzy-PID开关切换的模糊PID控制器。这个控制器既具有模糊控制灵活、适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点。设计的根本思想是采用并行Fuzzy-PID开关切换控制方法，当实际温度与设定值偏差较大时，采用模糊控制，发挥其动态响应快的特点；当实际温度与设定温度偏差较小时，采用PID控制，发挥其静态性能好的特点，提高系统的控制精度。模糊PID控制技术介绍Fuzzy-PID开关切换控制器是由模糊控制器和PID控制器两个独立的通道构成。在某种工作状态中，只有一个控制器在控制对象。系统结构如图2.2。当系统的偏差较大、超过模糊变量值的零档时，那么采用模糊控制器，这时对象和1端相连。当系统的偏差较小，为模糊变量值的零档时，那么采用PID控制器，这时对象和2端相连接。图2.2模糊PID控制器系统结构图PID控制技术PID控制器根据给定值R和实际输出Y的控制偏差e，将偏差的比例〔P〕、积分〔I〕和微分〔D〕通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。在运用到家用中央空调系统时，给定值R是指空调房间的实际温度〔即传感器测得的温度〕，实际输出Y是指空调的设定温度〔即空调系统输出冷热量改变后的房间温度〕。e=实际温度－设定温度=R－Y图2.3PID控制器原理图PID控制是由比例、积分、微分组成的控制，其控制的三个环节的作用如下：〔1〕比例环节：即时成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。〔2〕积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，积分时间常数越大，积分作用越弱，反之那么越强。〔3〕微分环节：能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的速度，减少调节时间。模拟PID的控制规律为：(2.2)在模糊PID控制中，采用单片机实现的PID控制算法，一般将其离散化，其离散PID控制的规律为：(2.3)式中u(k)、e(k)分别为第k个采样时刻控制器控制量和偏差量，为比例益，、分别是积分和微分时间常数，常数Ts为采样周期。根据PID增量算式得：(2.4)其中：(2.5)(2.6)(2.7)或写成：(2.8)本设计在，偏差小时采用数字PID控制技术控制，消除静差。模糊控制技术介绍用模糊逻辑推理对空调控制系统的实时输入状态观测量进行处理，那么可产生相应的控制决策。模糊控制能避开对象的数学模型〔如状态方程或传递函数等〕，它力图对人们关于某个控制问题的成功与失败的经验进行加工。总结出知识，从中提炼出控制规那么，用一系列多维模糊条件语句构造系统的模糊语言变量模型，应用各类模糊推理方法，可以得到适合控制要求的控制量模糊控制系统的原理如图2.4所示。它是由设定的隶属函数求出控制输入〔偏差和偏差变化率〕的隶属度，据此进行模糊规那么判断，得出模糊控制输出，再进行模糊量的运算，得出精确的控制输出，实行对执行机构的控制。图2.4模糊控制器原理图图中，虚框线内为模糊控制器。根据模糊控制器结构可分为模糊输入，模糊推理决策和模糊输出三大局部，它们构成了模糊控制器的控制机理和算法结构。模糊输入的主要功能是实现控制器精确输入量的模糊化，在图2.4中即将被控系统输入值与实际值的偏差e和偏差变化率∆e精确值转化为模糊量，以便进行模糊推理和决策。模糊推理决策的主要功能是模仿人的思维特征，根据设计者总结的人工控制策略取得的语言控制规那么进行模糊推理，并决策输出模糊控制量。模糊输出的主要功能是对经模糊推理决策后所得的模糊控制量进行模糊判决，把输出模糊量转化为精确量后，施加于被控对象。在实际应用中模糊控制器有两种组成方式，其一是由模糊逻辑芯片组成的硬件专用模糊控制器，它用硬件芯片来直接实现模糊控制算法，这种模糊控制器的特点是推理速度快，控制精度高，但是价格昂贵，灵活性较差；另一种组成方式是采用与数字控制器相同的硬件结构，目前多用微型计算机芯片来组成硬件系统，而在软件上用模糊控制算法取代原来数字控制算法，这样就把原来的数字控制器改成了模糊控制器，组成了一个单片机的模糊控制系统。这种模糊控制器资源开销少，灵活性高，通用性强，应用范围广，特别适合于家用消费类产品的应用，是目前在过程控制及家用电器中应用模糊控制的主流。模糊控制算法1．模糊化的过程模糊化是把精确量转换成模糊量的过程。设有论域U，有精确数据；同时，有模糊集合。如果存在，令(2.9)那么称属于集合，并且隶属度为，表示为：(2.10)一般称以隶属度归属域。在论域U中，如果给出一个精确值，并根据找到它所属的模糊量。如果以取代，那么称模糊化为。在模糊化的具体过程中需要进行量化、迷糊划分和模糊表达。量化的实质是把连续输入精确值的范围离散化；模糊划分就是对论域范围确定模糊量的个数；模糊表达就是对模糊t的隶属函数进行定义〔1〕论域的量化在模糊控制中，为了便于使用执行离散处理的微型计算机，把隶属函数用离散形式表示，也就是模糊量用单点表示。模糊控制系统中的被控制对象状态是连续的，系统的给定值也是连续的，所以，反映到模糊控制器输入端的输入量也必然是连续的。但是，模糊控制器由微型计算机构成，它只能执行离散处理。因此，模糊控制器要求输入的量是离散模糊量，也即是单点表示的模糊量。把连续论域进行离散化的过程称为量化。连续论域竟量化之后就成为一个离散论域。对于一个连续论域量化，就是把连续论域分成一个个小局部，每一局部为一个元素，以这些元素组成的论域那么是离散论域。例如，将连续论域0~500分成5个均等分，并取:0~100对应-2，100~200对应-1，200~300对应0，300~400对应l，400~500对应2。执行量化的一般方法如下：设有连续论域[a，b]，而量化之后的离散论域为(-n，-n+l，...,n-1，n)，亦即将连续论域分为2n段，那么存在系数q，(2.11)q称为量化因子。对于连续论域[a，b]中有值V，并且有a<V<b，那么在离散论域，(-n,-n+1,...,n-1,n)中可以找到元素与W与之对应。，(2.12)模糊控制中，离散论域的元素一般取5~15个。取的太少离散模糊变量的隶属函数的表达过于粗糙;取的太多，对于隶属函数进行关系运算时用到的单点过多，导致运算过于复杂。一般而言，量化级数的多少对控制灵敏度有影响。量化级数越小，控制越灵敏，但控制也越粗糙。当量化级数减少到两级时，接近于控制开关了。当量化级数为无穷多时，那么成了连续论域。由于有量化过程，那么模糊控制器具有离散的性质，故而对系统状态变量的小突变不敏感。〔2〕模糊划分在模糊控制中，无论输入论域，或是输出论域都取恰当的模糊量。对于一个给定的有限论域，在这个论域中确定模糊数量的过程称模糊划分。可见模糊划分的本质就是在论域中划分模糊子集。但模糊划分尚未有一种确定的方法，是根据经验进行划分的。对于一个论域而言，模糊量划分语言变量就会粗糙。这样对于一个控制系统来说。对其控制质量就会产生不良的影响。如果划分的模糊量过多，那么形成的控制规那么就会过多，进行模糊推理就会占用大量的处理时间和过程。在采用模糊关系运算时，也会产生庞大的关系矩阵，关系运算变得麻烦，产生的控制表也会占据较多的内存。在执行模糊划分时，主要考虑数量的选择及划分的宽度。一个论域中，模糊量的划分一般取5~10个较为适合。划分宽度是指在论域中一个模糊量所涉及的元素的多少。但划分宽度至今尚未有一种完善的理论方法。〔3〕模糊表达在论域中模糊量的隶属函数形状称为该模糊量的模糊表达。模糊表达的目的在于取得最适宜的隶属函数。模糊量可以是对称的，非对称的，可以是三角形，梯形及其他形状。目前还不能够证明哪种形状的隶属函数对某一个控制目标最优。因此隶属函数大多依靠经验或者考虑处理方便而选择。这个设计选择三角形的隶属函数。2．模糊控制规那么及其生成模糊控制是以模糊控制规那么去实施控制的。模糊控制规那么表达了人对被控制对象执行控制时的模糊思维和判断过程。模糊控制规那么在本质上是人们的模糊推理规那么，以模糊条件语句表示。依照一定的模糊控制规那么，在结合恰当的推理机制，从而产生模糊控制的方法。在微型计算机中，模糊控制以相应的控制算法对被控制对象进行控制。对于模糊计算，模糊控制方法那么是一种模糊信息的变换的方法。〔1〕模糊控制规那么及其格式模糊控制规那么采用的是形式逻辑中的条件语句的格式，它和形式逻辑不同的是:条件语句的前后条件都是模糊量，即这种语句是模糊条件语句。在模糊控制中，模糊控制规那么的格式有两种最主要的形式：结构和结构。〔a〕结构这种推理的前件有两个零件，这种蕴涵关系在语言表述时为“假设A和B那么C”，即有：IfAandBthenC在模糊控制系统中，通常要考虑偏差和偏差变化率。本文考虑温差和温差变化率，采用此结构。对于多输入单输出的系统语句如下：IfA1andA2and...andthenC〔b〕结构其含义是：如果存在A和B，那么结果是A和B的元素a和b所产生的多项式的值，并且，一般表示为：IfAandBthen在这种格式中，条件语句的后件不是模糊量，而是一个精确值。这个精确值由后件的多项式求出，形式如下：(2.13)在一个模糊控制系统中，执行控制需要用到一个模糊控制规那么集，这个模糊控制规那么集也称为模糊控制规那么基。一个模糊控制系统，其模糊控制基可以用条件语句集来表示，也可以用控制规那么来表示。但一般来说控制规那么表比控制规那么基简单明了。〔2〕模糊控制规那么的生成模糊控制规那么是根据人的思维方式对一个被控制系统执行控制而总结出来的带有模糊性的控制规那么。取得模糊控制规那么有各种不同的途径，但不外乎最根本的方法:一是根据人对控制系统的实际操作求取的控制规那么，另一种是根据对象的控制特点通过数学处理求取的控制规那么。根据人对控制系统的实际操作求取的控制规那么有两种方法:第一是依据专家经验生成控制规那么；第二是对系统执行手工控制生成控制规那么。根据对象的控制特点通过数学处理求取的控制规那么也有两种方法:第一是根据被控制对象的模型生成控制规那么;第二是根据学习算法生成控制规那么。本文采用了专家经验生成控制规那么。3．反模糊化在模糊控制系统中，模糊控制器的输入是模糊量，输出也是模糊量。对于实际被控制对象，他所需要的控制信号是有一定物理意义的精确值。为了使模糊控制器的输出能对被控制对象进行控制，要把它输出的模糊量转换成精确量，这个过程称为反模糊化。反模糊化的方法很多，但在控制上所用的方法一般有三种:最大隶属函数法、中位法和重心法，本文采用重心法。重心法是目前应用最多的反模糊化的方法。它全面考虑模糊量的有关信息，同时执行也较为容易。它对模糊量所含的所有元素求取重心元素，这个重心元素就是对模糊量反模糊化之后的得到的精确量。它实质上是通常讲的加权平均法。重心元素的求取公式如下：(2.14)4．模糊推理在模糊理论中，模糊推理有多种不同的机理，但是，在模糊控制中较多应用的只有四种，分别是：Mamdani推理、Larsen推理、Tsukamtoo推理、Takagi-Sugeno推理，这四种推理的机制是不同的。模糊控制中之所以采用这几种推理，原因在于模糊控制和专家系统不同。模糊控制中的推理规那么后件不会用做其它推理规那么的前件，也就是说模糊控制不采用链推理机理。本文采用Mamdani推理，为了简化对推理方法的说明，只考虑两条模糊控制规那么，而其结论和采用的方法可以推广到n条模糊规那么的情况。设有模糊控制规制：:ifisandisthenis:ifisandisthenis那么对于模糊控制规制的前件来说有推理强度和：对于第i条控制规律，那么有控制量，其隶属度函数如下：对于一个模糊控制器，最后的模糊控制量C是由所有的控制规那么共同作用的。故而，最终模糊控制量C的隶属度函数如下：最后有：这种推理是由Mamdani提出的推理蕴含式子得出的，所以称为Mamdani推理。由于采用最大、最小运算，故而也称MAX-MIN推理。模糊控制器的设计设计一个模糊控制器时，并不需要像设计数字控制器那样，必须知道被控对象的传递函数的精确数学模型，因为模糊控制是建立在人的经验的根底上，而这些经验不依赖于被控对象的精确数学模型。通常根据模糊控制原理，按以下步骤来设计模糊控制器:〔1〕确定模糊控制器的结构，即根据具体的系统确定其输入、输出变量。〔2〕输入输出变量的模糊化，即把输入输出的精确量转化为对应语言变量的模糊集合。〔3〕模糊推理决策算法的设计，即根据模糊控制规那么进行模糊推理，并决策输出模糊量。〔4〕对输出模糊量进行模糊判决，完成其模糊量到精确量的转化。本设计在偏差大时采用查表法设计空调模糊控制器，查表法的根本原理是：首先通过离线计算，取得一个模糊控制表，然后将其控制表编写在程序中，在控制过程中控制器只需直接根据采样结果和论域变换得来的以论域元素形式表现的和，由控制表的第i行与第j列找到对应的同样以论域元素形式表示的控制量，乘以模糊比例因子得到控制器输出量，即可用于控制对象，以到达预期的控制目的。该模糊控制器系统结构如图2.5。图2.5控制表方式的模糊控制系统结构其中：K1、K2为偏差e和偏差变化率∆e论域变换时的量化因子，K3为控制量u的比例因子。由上图可见，这里模糊控制器的设计关键是求取控制表，它是根据模糊控制算法求解出来的关于输入和输出量之间关系的数据表格。家用中央空调模糊PID控制的系统方框图如图2.6。在大偏差〔℃〕时，采用模糊控制算法；在小偏差〔℃〕时，采用PID控制算法。两者的转换用软件编程根据给定的偏差〔℃〕自动实现，为了尽量防止在控制策略切换时引起的扰动，采用当模糊控制策略向PID控制策略切换时，调节器的输出将保持模糊控制策略下的输出值直到PID控制器输出；当PID控制策略向模糊控制策略切换时，调节器的输出将保持PID控制策略下的输出值,直到模糊控制器输出。图2.6家用中央空调模糊PID控制的系统方框图家用中央空调控制器设计家用中央空调控制器的硬件设计家用中央空调模糊PID控制器的主要功能实现：〔1〕控制风机的转速实现对室温的控制；〔2〕简单的按键操作，方便用户设定温度；〔3〕能够显示室内实际和设定温度值；一般来说，一个控制系统包括输入系统，主控系统和输出系统。家用中央空调控制器硬件设计主要应考虑三大局部的设计：输入电路：即参数/命令输入电路局部，主要包括：温度检测电路，键盘输入电路，时钟电路，复位电路。主控电路：即单片机及接口电路局部，主要包括CPU，各种I/O接口等。其中单片机作为整个系统的主控部件，通过软件编程，实现采集数据的分析运算等；I/O接口是参数、命令、状态等模拟、数字信号的通道。输出电路：即各种执行机构的数字/开关量输出和显示，包括LED显示电路，风机控制电路等。家用中央空调的硬件电路原理框图如图3.1。图3.1家用中央空调的硬件电路原理框图主控电路1．单片机的介绍STC89C51RC/RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。〔1〕单片机的特点：a．增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051CPUb．工作电压：5.5V~3.4V〔5V单片机〕/3.8V~2.0V〔3V单片机〕c．工作频率范围：0~40MHz，相当于普通8051的0～80MHz.实际工作频率可达48MHzd．用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节e．片上集成1280字节/512字节RAMf．通用I/O口〔32/36个〕，复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉〔普通8051传统I/O口〕P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻g．ISP〔在系统可编程〕/IAP〔在应用可编程〕，无需专用编程器/仿真器，可通过串口〔P3.0/P3.1〕直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片。h．EEPROM功能i．看门狗j．内部集成MAX810专用复位电路〔D版本才有〕，外部晶体20M以下时，可省外部复位电路k．共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可当成2个8位定时器使用l．外部中断4路,下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒m．通用异步串行口〔UART〕，还可用定时器软件实现多个UART。n．工作温度范围：0~75℃/-40~+o．封装形式：DIP-40，PLCC-44，PQFP-44三种封装〔2〕STC89C52芯片这个设计选用的是这个单片机系列中的STC89C52，其PDIP-40形式的封装图如图3.2。图3.2单片机STC89C52封装图其引脚功能如下：Vcc：电源引脚。正常操作、空闲、掉电以及对FLASHROM编程或校验时的工作电压。一般为5V。P0口：P0口作为I/O引脚使用时，P0口是漏级开路双向口，向口锁存器写入1时，I/O引脚将悬空，是高阻输入引脚；在读写外部存储器时，P0口作低8位地址/数据总线。P1口：P1口是内部带有弱上拉电阻的准双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。先向P1口锁存器写入1，使P1口引脚被上拉为高电平时，可用作输入。P1.0和P1.1引脚除了可以作为一般I/O引脚使用外，还具有第二输入/输出功能：P1.0〔T2〕：定时器T2的计数输入端或定时器T2的时钟输出端。P1.1〔T2EX〕：定时器T2的外部触发输入端。P2口：P2口是内部带有弱上拉电阻的准双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口锁存器写入1时，使P2口引脚被内部上拉电阻拉至高电平，作为输入。在读/写外部存储器时，P2口输入高8位地址信号A15~A8。当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高8位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部8位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能存放器的内容。在FLASH编程和校验时P2口接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口是内部带有弱上拉电阻的准双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。作输入引脚使用前，先向P3口锁存器输入1，使P3口引脚被上拉成高电平。使P3口除了作为一般的I/O引脚使用外，还具有第二输入/输出功能。P3口作为一些特殊功能口，如下所示：P3.0〔RXD〕：串行数据接收〔输入〕端P3.1〔TXD〕：串行数据发送〔输出〕端P3.2〔〕：外部中断0输入端P3.3〔〕：外部中断1输入端P3.4〔T0〕：定时/计时器T0的外部输入端P3.5〔T1〕：定时/计时器T1的外部输入端P3.6〔〕：外部数据存储器写选通信号，低电平有效P3.7〔〕：外部数据存储器读选通信号，低电平有效P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位信号输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/:低8位地址锁存信号。在访问外部存储器时，用ALE/下降沿锁存从P0口输出的低8位地址信息A7-A0，以便随后将P0口作为数据总线使用。在正常情况下，ALE/输出信号恒为1/6振荡频率，并可用作外部时钟或定时信号。：外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。从外部程序存储器取指令时，每个机器周期信号被激活两次。只有执行外部程序存储器中的指令时才有效，而执行其他操作时无效/VPP：外部程序存储器选择信号，低电平有效。在复位期间CPU检测并锁存/VPP引脚电平状态，当该引脚为高电平时，从片内程序存储器取指令，只有当程序计数器PC超出片内程序存储器地址编码范围时，才转到外部程序存储器取指令；当该引脚为低电平时，一律从外部程序存储器取指令。XTAL1：片内晶振电路反相振荡放大器输入端，接CPU内部时钟工作电路。XTAL2：片内晶振电路反相放大器输出端。1．串口通信〔1〕RS232串口通信芯片串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议〔不要与通用串行总线UniversalSerialBus或者USB混淆〕。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。典型的RS232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS232是为点对点〔即只用一对收、发设备〕通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kΩ。所以RS232适合本地设备之间的通信。〔2〕串口通信电路设计串口通信的概念非常简单，串口按位〔bit〕发送和接收字节。尽管比按字节〔byte〕的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比方IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米〔RS485〕。典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：〔a〕地线，〔b〕发送，〔c〕接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。输入电路1．温度传感器的选择本文研制的控制器选择著名的Maxim&Dallas公司的DS18B20型号温度传感器。DS18B20是美国DALLAS公司新推出的一种可组网数字式温度传感器，它是DALLAS公司在前一代温度传感器DS1820的根底上改良开发的，它的优势在可组网特性和可编程提高测温精度两个方面。技术性能描述如下：〔1〕独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条端口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。〔2〕测温范围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5〔3〕支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。〔4〕工作电源：3～5V/DC。〔5〕在使用中不需要任何外围元件。〔6〕测量结果以9～12位数字量方式串行传送。〔7〕不锈钢保护管直径Φ6。〔8〕适用于DN15～25，DN40～DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。〔9〕标准安装螺纹M10X1，M12X1.5，G1/2任选。〔10〕PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线，便于与其它电器设备连接。DS18B20的出现开辟了温度传感器技术的新领域。它在工作电压、电气特性及封装等方面都有优势，可以轻松的组建传感器网络，提高系统的抗干扰性，使系统设计更加灵活方便。DS18B20的温度转换精度是可调的，从9位到12位，高精度的温度转换从而使DS18B20可以有更加宽广的应用领域，但是对于空调行业，一般而言，0.5摄氏度的精度是足够的。DS18B20不同于其他的温度传感器的最大的特点就是硬件连接非常的简单，只需要一根数据线与单片机的输入输出口相连，进行双向通讯。在使用中，它也不需要任何的外围元件。甚至它可以不需要和电源直接连接，通过数据线的上拉电阻，就可以实现寄生供电。在本设计中，采用的是外部电源供电。DS18B20内部结构主要由4局部组成：64位ROM、温度传感器、温度报警触发器TH和TL、配置存放器。ROM中的6