王攀藻，張 華

（四川旅游學(xué)院 四川 成都 610100）

當(dāng)前我國(guó)旅游業(yè)蓬勃發(fā)展，游客對(duì)星級(jí)酒店的服務(wù)質(zhì)量要求越來(lái)越高， 酒店內(nèi)空氣質(zhì)量基本全靠中央空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）進(jìn)行調(diào)控，HVAC 系統(tǒng)是一個(gè)多干擾、控制滯后的自控系統(tǒng)，如果控制方式不到位，往往不能滿足指標(biāo)的要求，甚至?xí)霈F(xiàn)互相矛盾的現(xiàn)象，控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)后，到被控房間溫、濕度達(dá)到設(shè)定值，有一個(gè)滯后的時(shí)間段，中途還會(huì)受到其它情況干擾，有時(shí)提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，控制精度卻又無(wú)法達(dá)標(biāo)，針對(duì)這種情況，本文采用智能PID 控制模式對(duì)系統(tǒng)單位負(fù)反饋誤差信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行校正，輸出控制結(jié)果能夠滿足客房、 大堂等溫濕度指標(biāo)的要求， 設(shè)計(jì)出的PID控制器能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)效應(yīng)，耗能低，體現(xiàn)出酒店的智慧性。

1 智能PID 簡(jiǎn)介

智能控制是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)過(guò)程控制中正在發(fā)展的一個(gè)方向，它不完全依靠被控對(duì)象的模型， 而是依靠模擬人的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來(lái)判定、修正控制規(guī)律，使控制模式更適合對(duì)象，控制結(jié)果更佳，現(xiàn)分為專家型控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等類型。智能PID[1]是利用智能控制模式實(shí)時(shí)控制PID 控制模式和參數(shù)修正，主要是根據(jù)輸入值、輸出值、偏差值、偏差變化率等形成的一種產(chǎn)生式規(guī)則， 將人的豐富操作經(jīng)驗(yàn)和PID 控制良好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性相結(jié)合，產(chǎn)生好的控制效果。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)包括專家控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等，構(gòu)建了以專家型智能PID 控制算法[2]為核心的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。 星級(jí)酒店中央空調(diào)智能PID 控制系統(tǒng)主要由，溫、濕度采集器，PID 算法控制模塊，增濕器模塊，變頻器控制模塊，上位機(jī)通信模塊和溫濕度設(shè)定值模塊等組成。PID 控制算法模塊是采用專家系統(tǒng)模式對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)領(lǐng)域，以專家水平解決中央空調(diào)系統(tǒng)中專門任務(wù)的計(jì)算器系統(tǒng)，其內(nèi)部寫入該領(lǐng)域中大量專家水平的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，利用專家的知識(shí)和解決問(wèn)題的方法來(lái)解決問(wèn)題， 采用規(guī)則PID 控制形式，通過(guò)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)誤差和系統(tǒng)輸出的識(shí)別，以了解被控對(duì)象過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的變化，在線調(diào)整PID 3 個(gè)參數(shù)，直到過(guò)程的響應(yīng)曲線為最佳響應(yīng)曲線。根據(jù)溫、濕度設(shè)定值和溫濕度傳感器采集回來(lái)的當(dāng)前溫、濕度值進(jìn)行專家控制解算，獲得增濕器濕度控制量和軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制量， 控制中央空調(diào)風(fēng)道的溫、濕度和風(fēng)量，從而使酒店被控空間的溫、濕度達(dá)到設(shè)定的精確值。

圖1 專家型PID 控制器總體設(shè)計(jì)Fig. 1 The overall design diagram expert PID controller

3 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

本部分設(shè)計(jì)的功能主要完成被控客房等空間的溫、濕度采集輸入、分析、計(jì)算、顯示和控制輸出信號(hào)以及對(duì)上位機(jī)通信等，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 其核心PID 控制算法模塊的任務(wù)是將溫濕度傳感器采集的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在單片機(jī)內(nèi)經(jīng)過(guò)分析、計(jì)算，把執(zhí)行信號(hào)分別輸送給增濕器和變頻器，同時(shí)把實(shí)時(shí)信號(hào)上傳給上位機(jī)，進(jìn)行保存，用于系統(tǒng)辨識(shí)和控制參數(shù)確定。

PID 控制算法模塊使用ARM 單片機(jī)[3]STM32F107VCT6，與上位機(jī)、溫濕度之間的通信，依靠RS485 通信模塊完成，增濕器模塊采用斯普柯林公司KL220V-S06 電極增濕器濕器，溫、濕度傳感數(shù)據(jù)采集模塊使用SHT1x 數(shù)字溫濕度傳感器--MODBUS-RTU 型，變頻器控制模塊使用西門子通用變頻器。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig. 2 The hardware structure diagram

本文使用的STM32F107VCT6 是專家型PID 控制算法的計(jì)算開(kāi)發(fā)平臺(tái)，主頻100MHz，內(nèi)部含有256K 字節(jié)的Flash 和64K 字節(jié)的SRM，用于參數(shù)保存，計(jì)數(shù)器數(shù)12 個(gè)，PWM 通道數(shù)20 個(gè)，輸入/輸出線數(shù)90，1 個(gè)RS485 接口，用于與上位機(jī)、溫濕度傳感器和變頻器通信，2 路DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換接口， 用于控制增濕器的加濕量。 內(nèi)核采用ARM Cortex-M3 處理器，如圖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， 用于多媒體，SIMD，E(DSP) 和ARM 系統(tǒng)訪問(wèn)的模塊除外， 外部中斷可配置為1～240 個(gè)，優(yōu)先級(jí)位可配置為3～8 位，中斷優(yōu)先級(jí)可動(dòng)態(tài)地重新配置，8 個(gè)存儲(chǔ)器區(qū)，子區(qū)禁止功能(SRD)，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器區(qū)的有效使用。 AHBLiteICode、DCode 和系統(tǒng)總線接口，APB 專用外設(shè)總線（PPB）接口，Bit band 支持，bit-band 的原子寫和讀訪問(wèn)。當(dāng)內(nèi)核正在運(yùn)行、被中止、或處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)，能對(duì)系統(tǒng)中包括Cortex-M3 寄存器組在內(nèi)的所有存儲(chǔ)器和寄存器進(jìn)行調(diào)試訪問(wèn)，串行線（SW-DP）或JTAG(JTAG-DP)調(diào)試訪問(wèn)，或兩種都包括。 實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)獨(dú)立的看門狗定時(shí)器，可編程的接 口 支 持：Freescale SPI 總 線， National Semiconductor MICROWIRE 總線。

圖3 Cortex-M3 模塊框圖Fig. 3 The Cortex-M3 block diagram

KL220V-S06 電極增濕器濕器是斯普柯林公司最新研發(fā)出的一款針對(duì)中央空調(diào)主風(fēng)道的電極加濕控制系統(tǒng)， 微電腦芯片中心控制， 具備智能PID 控制性能， 工作電壓AC220V/50－60HZ，控制板功耗小于5W，控制方式：比例0－10V 或4－20ma，高水位響應(yīng)約5S，能夠根據(jù)信號(hào)的大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)加濕量（外部控制），或根據(jù)環(huán)境檢測(cè)濕度與設(shè)定值濕度的濕度差，按設(shè)定工作方式，輸出加濕量（本地控制）。

SHT1x 數(shù)字溫、 濕度傳感器采用通用的RS485，MODBUS－RTU 通訊協(xié)議，直接跟單片機(jī)聯(lián)機(jī)使用。 內(nèi)置3 個(gè)MODBUS 寄存器。 從設(shè)備可以設(shè)置波特4 800,9 600,115 200 bps，格式8N1。

4 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

軟件部分編寫采用模塊化方式完成，如圖4 所示，對(duì)每一個(gè)模塊編程，便于調(diào)試和檢查，也便于每個(gè)模塊的擴(kuò)展，系統(tǒng)軟件包含初始化模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和按鍵掃描四部分，采用C 語(yǔ)言編程，編譯工具為Keil（V4.0），通過(guò)此Keil 和J－Link 工具可實(shí)現(xiàn)程序的編譯和在線調(diào)試[5]，專家系統(tǒng)軟件部分編寫流程圖如圖4 所示。

系統(tǒng)初始化軟件模塊，是為了在進(jìn)入主程序之間，做好必要的準(zhǔn)備工作。包含RS485 通信初始化；GPIO 口初始化，將4個(gè)GPIO 口初始化為上拉輸入；DAC 初始化， 將2 個(gè)DAC 通道中的一個(gè)激活，可輸出連續(xù)可調(diào)的電壓信號(hào)（0～3.3 V），用于控制增濕器；顯示初始化，設(shè)置顯示屏的顏色，固定字符的顯示等。

圖4 專家系統(tǒng)軟件編寫流程圖Fig. 4 System software design flow chart

通信軟件模塊與上位機(jī)的通信，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)：溫濕度設(shè)定值、當(dāng)前值，PID 控制輸出量等；與溫濕度傳感器通信，采集溫濕度傳感器的溫度值和濕度值；與變頻器通信，通過(guò)與變頻器的通信來(lái)控制軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 所有數(shù)據(jù)乘100 按整數(shù)發(fā)送[6]，發(fā)送的格式見(jiàn)下表1 所示。

數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)輸入的溫、 濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、 計(jì)算PID 算法模式處理，使輸出數(shù)據(jù)達(dá)到理想的精確值。流程圖如圖5 所示，軟件程序界面如圖6 所示。

表1 數(shù)據(jù)通信格式Tab.1 Data communication format

圖5 溫度處理流程圖Fig. 5 Temperature processing flow chart

5 結(jié)束語(yǔ)

圖6 軟件系統(tǒng)界面Fig. 6 Software system interface

變風(fēng)量中央空調(diào)采用專家型智能PID[7－8]控制系統(tǒng)，具有接近人類控制參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)的性能，能對(duì)酒店客房進(jìn)行溫、濕度精確控制，提高空氣質(zhì)量，專家型PID 控制器對(duì)于酒店中央空調(diào)這種滯后，非線性和多干擾的對(duì)象控制效果很好，同時(shí)該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單，在保證穩(wěn)定性工作的前提下，提高控制精度的修正值。 控制系統(tǒng)使用ARMCortex－M3 處理器具有功耗低，性價(jià)比高，門數(shù)目少，中斷延遲短，調(diào)試成本低的特點(diǎn)，能快速中斷響應(yīng)和深度嵌入式應(yīng)用，能提高星級(jí)酒店中央空調(diào)降耗、節(jié)能，實(shí)現(xiàn)綠色、智慧化。

[1] 熊景琪.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3] 劉侃,張永泰,劉洛琨. ARM程序設(shè)計(jì)優(yōu)化策略與技術(shù)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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.

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