王 哲,王延年
(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院,西安710048)
具有WIFI傳輸功能的智能變風(fēng)量溫控系統(tǒng)
王 哲,王延年
(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院,西安710048)
針對(duì)傳統(tǒng)用89C51單片機(jī)控制的溫控器不具備進(jìn)行無(wú)線傳輸和設(shè)定的特點(diǎn),以WIFI通訊協(xié)議為架構(gòu),配合以增強(qiáng)型STM32為核心的嵌入式系統(tǒng),以單風(fēng)管變靜壓VAV系統(tǒng)為控制環(huán)境構(gòu)成智能工業(yè)空調(diào)系統(tǒng)。重點(diǎn)闡述其外部統(tǒng)構(gòu),變頻風(fēng)機(jī)模糊控制器設(shè)計(jì)和基于CC2540的射頻模塊方案,并在STM32平臺(tái)上闡述硬件設(shè)計(jì)和軟件驅(qū)動(dòng)及WIFI網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)的搭建。通過(guò)無(wú)線溫度采集系統(tǒng)和VAV系統(tǒng)控制器對(duì)室內(nèi)溫度實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)控和調(diào)節(jié),溫控器系統(tǒng)內(nèi)部集成變頻風(fēng)機(jī)的兩種模糊自適應(yīng)控制算法,由使用者確定并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定。該溫控器實(shí)現(xiàn)了通過(guò)WIFI通訊協(xié)議,上位機(jī)與溫控器之間的準(zhǔn)確調(diào)節(jié),通過(guò)設(shè)定通信,使控制系統(tǒng)更加智能。
工業(yè)中央空調(diào);WIFI通信棧協(xié)議;VAV控制系統(tǒng);模糊自適應(yīng)控制;嵌入式應(yīng)用;Linux系統(tǒng)移植
大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)都是基于89C51+DS18B20的系統(tǒng),具有相對(duì)的穩(wěn)定性,并且硬件開(kāi)銷低,穩(wěn)定性好。但在工業(yè)環(huán)境中,其布線復(fù)雜度以及大量有線電路的損耗和浪費(fèi)都是科研工作者集中解決的課題?;诮鼛啄隉o(wú)線技術(shù)的高速發(fā)展,具有近距離無(wú)線傳輸功能的溫控系統(tǒng)作為研究課題越來(lái)越多,大多數(shù)具有無(wú)線傳輸功能的溫控系統(tǒng)研究都是基于Zigbee通訊協(xié)議棧配合防碰撞網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層分層通訊。Zigbee作為近年熱門的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通訊協(xié)議具有穩(wěn)定性好、融合性高的優(yōu)點(diǎn),其缺點(diǎn)是傳輸速率較低,功耗較高,很難應(yīng)用到1Mbpsits/S以上高傳輸速率的無(wú)線通訊設(shè)備上[1]。
基于以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議技術(shù),以符合工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)IEE802.11b的WIFI通訊協(xié)議棧為底層核心來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸[2]。WIFI作為近幾年在家用和商業(yè)領(lǐng)域很熱門的無(wú)線通訊協(xié)議,其特性是傳輸速率高,距離較短。分別通過(guò)遠(yuǎn)程人機(jī)端嵌入式硬件系統(tǒng),以及軟件分層操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳細(xì)介紹了如何通過(guò)在VAV系統(tǒng)中的無(wú)線終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)工業(yè)空調(diào)現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳送。重點(diǎn)闡述和介紹了VAV系統(tǒng)內(nèi)部變頻風(fēng)機(jī)的兩種控制算法,以及與傳統(tǒng)PID控制算法比較在積分環(huán)節(jié)(PI)的穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì),以及終端傳感器SHT11的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送程序及算法子程序設(shè)計(jì)。
2.1 閉環(huán)單風(fēng)管變靜壓VAV系統(tǒng)環(huán)境
一般全空氣空調(diào)系統(tǒng)通常通過(guò)兩種方法來(lái)維持室內(nèi)所需要的溫度和濕度:一種是固定送風(fēng)量,改變送風(fēng)溫度;另一種是固定送風(fēng)溫度,改變送入室內(nèi)的風(fēng)量[3]。后者就被稱為變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)(Variable air volume system)。為了減少定靜壓法在傳感器位置及數(shù)量設(shè)定上的難確定,以及其成本較高、節(jié)能效果差這一缺點(diǎn),采用節(jié)能效果更高、成本更低的單風(fēng)管變靜壓VAV控制系統(tǒng)。變靜壓?jiǎn)物L(fēng)管VAV溫控系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)主要由變頻風(fēng)機(jī)、智能溫濕度傳感器SHT11、控制閥門(風(fēng)量末端的風(fēng)閥)等組成。雙閉環(huán)設(shè)計(jì)為多變量的VAV系統(tǒng)保持各回路之間的良好耦合[4]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 VAV雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
機(jī)組的架設(shè)由風(fēng)閥控制器、靜壓傳感器、VAV裝置和變頻風(fēng)機(jī)等組成[5]。內(nèi)部控制是由末端檢測(cè)的風(fēng)量值作為參數(shù)值,室內(nèi)溫度測(cè)量值與設(shè)定值的偏差作為模糊自適應(yīng)控制算法的輸入值,結(jié)果傳輸給控制模塊作為確定參數(shù)值的指標(biāo)[6]。通過(guò)在送風(fēng)機(jī)的電源線路上加裝變頻器的方法由SC(system control)系統(tǒng)控制器指示送風(fēng)機(jī)控制轉(zhuǎn)速??刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 VAV單風(fēng)管變靜壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.2 變頻風(fēng)機(jī)模糊自適應(yīng)控制算法
針對(duì)傳統(tǒng)的PID算法調(diào)節(jié),即“先比例,再積分,最后微分”,其在超調(diào)量性能上的不足,將模糊自適應(yīng)改進(jìn)控制算法應(yīng)用到變頻風(fēng)機(jī)的智能調(diào)節(jié)中。在模糊控制中,控制器維數(shù)越高,控制精度越好,但由于變頻風(fēng)機(jī)的被控對(duì)象較多,使用多維模糊控制器會(huì)使復(fù)雜程度增加,算法的難度和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性也會(huì)降低。在此本文創(chuàng)新型采用維控制器,一維控制器牢牢抓住設(shè)定值與被測(cè)值誤差作為模糊控制器的輸出,其輸入輸出結(jié)構(gòu)如圖3所示。二維控制器選用反饋檢測(cè)值與輸入值作為系統(tǒng)輸入量,由使用者來(lái)進(jìn)行選擇,其輸入輸出結(jié)構(gòu)如圖4所示。并將自適應(yīng)控制應(yīng)用到已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的回路中,以獲得更好的控制效果,加強(qiáng)模糊控制器的學(xué)習(xí)功能。
圖3 一維模糊控制器I/O結(jié)構(gòu)框圖
圖4 二維模糊控制器I/O結(jié)構(gòu)框圖
自適應(yīng)控制器相較于一般的模糊控制器增加了三個(gè)環(huán)節(jié):性能測(cè)量、控制量矯正和控制規(guī)則修正。選擇反饋信號(hào)和輸入信號(hào)的誤差作為模糊控制器的兩個(gè)輸出,以E和EC來(lái)表示;控制器的一個(gè)控制輸出作為增量,記做ΔU,則論域和模糊集合定義如下:
E、EC和ΔU的模糊集為:
{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB};
E和E的論域:
{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}
ΔU的論域:
{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7}
在建立模型前規(guī)則庫(kù)的建立為推理機(jī)提供模糊規(guī)則,根據(jù)控制環(huán)境采用經(jīng)驗(yàn)歸納法,用關(guān)系連詞對(duì)變頻風(fēng)機(jī)風(fēng)道靜壓回路進(jìn)行模糊規(guī)則的設(shè)定。在變頻風(fēng)機(jī)算法中常用模糊規(guī)則為:靜壓低,且靜壓上升不快,則提高變頻風(fēng)機(jī)頻率;靜壓高,且靜壓快速上升,則降低變頻風(fēng)機(jī)頻率。如用關(guān)系連詞表示輸入變量為誤差和誤差變化,以及輸出的控制量增量,即可表示為:if e is NB and ec is PC,then Δu is PM;if e is PB and ec is PB,then Δu is ZO。根據(jù)規(guī)則推理出的模糊值并不能用于被控對(duì)象,需通過(guò)解模糊根據(jù)推理的結(jié)果求得最能反映控制量的真實(shí)分布。采用加權(quán)平均法求得期望值,其計(jì)算公式為:
一般情況下則可表示為:
對(duì)系統(tǒng)需要進(jìn)行仿真,即需要對(duì)變頻風(fēng)機(jī)風(fēng)道靜壓回路進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并對(duì)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。采用階躍響應(yīng)法對(duì)變頻系統(tǒng),在MATLAB環(huán)境下運(yùn)用Simulink對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)和模型仿真,并將獨(dú)立的比例積分PI子系統(tǒng)加入到系統(tǒng)前端,通過(guò)反復(fù)調(diào)整達(dá)到設(shè)計(jì)要求并增加穩(wěn)定性。
3.1 帶有終端傳感器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
通過(guò)在測(cè)試室內(nèi)加裝溫度傳感器SHT11連接節(jié)點(diǎn)設(shè)備CC2540(芯片為SOC片上系統(tǒng)的WIFI射頻模塊),由CC2540控制傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,然后將數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)給WIFI集中器,通過(guò)SPI串口由控制模塊終端發(fā)送到協(xié)議棧物理層,再通過(guò)應(yīng)用層程序?qū)崿F(xiàn)通信控制功能,從而控制風(fēng)閥扇葉準(zhǔn)確調(diào)節(jié)風(fēng)壓。采集流程如圖5所示。
圖5 CC2540數(shù)據(jù)采集流程圖
3.2 系統(tǒng)硬件和軟件層程序設(shè)計(jì)
嵌入式硬件部分為處理器、存儲(chǔ)設(shè)備、電源電路、通信接口(SPI和JTAG等)、以太網(wǎng)模塊和外圍設(shè)備(LCD顯示、USB、外設(shè)鍵盤、鼠標(biāo)等)。核心處理器采用增強(qiáng)型STM32F103VET6,STM32F103VET6芯片是基于ARM公司Cortex-M3內(nèi)核的高性能、低功耗的32位Flash微處理器,其硬件層構(gòu)成如圖6所示。軟件層可分為應(yīng)用層、OS層和驅(qū)動(dòng)層三部分,應(yīng)用層的作用主要是通過(guò)開(kāi)發(fā)應(yīng)用層程序?qū)Σ杉男盘?hào)在OS層進(jìn)行實(shí)時(shí)管理,選擇Linux系統(tǒng)對(duì)圖形界面程序、射頻模塊數(shù)據(jù)采集程序等嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪、移植[7]。在驅(qū)動(dòng)層部分,使用Linux Kernel分別對(duì)LCD、USB、WIFI等進(jìn)行模塊加載驅(qū)動(dòng)。軟件層結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖6 智能溫控器硬件層組成
圖7 智能溫控器軟件層結(jié)構(gòu)
在程序操作部分重點(diǎn)介紹射頻模塊發(fā)送程序流程設(shè)計(jì)和控制算法子程序設(shè)計(jì)。射頻模塊首先需要對(duì)CC2540進(jìn)行初始化并進(jìn)行信道掃描,收到節(jié)點(diǎn)匯聚的信標(biāo)后發(fā)送信號(hào),請(qǐng)求連接成功后開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù),如沒(méi)有通過(guò)則繼續(xù)連接直到成功[8]。每次數(shù)據(jù)發(fā)送成功節(jié)點(diǎn)需休眠等待下次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)喚醒。其程序流程圖如圖8、9所示。
圖8 射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖
在算法的程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),需考慮系統(tǒng)模糊控制量系數(shù),它根據(jù)采集環(huán)境溫度來(lái)確定,并選擇閥門的首次開(kāi)度[9]。并且,在選擇好調(diào)節(jié)參數(shù)后系統(tǒng)還要對(duì)選擇的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè),以確定是否合適[10]。通過(guò)對(duì)比測(cè)量值與設(shè)定值來(lái)控制閥門開(kāi)度和靜壓值參數(shù),最終使室內(nèi)溫度與用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度相等,反之亦然[11]。其算法程序流程圖如圖10所示。
圖9 射頻模塊接收數(shù)據(jù)流程圖
圖10 控制算法子程序流程圖
主要闡述了以WIFI通訊協(xié)議的射頻模塊為核心,通過(guò)STH11配合CC2540將無(wú)線數(shù)據(jù)采集和傳輸功能應(yīng)用到變風(fēng)量的溫控系統(tǒng)。在單風(fēng)管變靜壓VAV溫控系統(tǒng)的構(gòu)建和內(nèi)部控制基礎(chǔ)上,兩種變頻風(fēng)機(jī)模糊控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制的靈活性和智能化。帶有終端傳感器的機(jī)組架構(gòu)通過(guò)WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)AP端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸,通過(guò)SPI與上位端SOC通訊并在應(yīng)用層OS操作端進(jìn)行控制管理。在上位機(jī)端,分別完成了在增強(qiáng)型STM32平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件的嵌入式設(shè)計(jì)和軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),重點(diǎn)介紹了變頻風(fēng)機(jī)模糊自適應(yīng)算法及相較于傳統(tǒng)PID控制在超調(diào)量性能上的優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了無(wú)線溫控系統(tǒng)的基本需求,在硬件和軟件以及外部環(huán)境方面詳細(xì)描述了溫控器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),對(duì)變頻風(fēng)機(jī)自適應(yīng)控制算法在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行了系統(tǒng)階躍相應(yīng)曲線仿真,如圖11所示,并與實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)得的階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行擬合,如圖12所示。
圖11 變頻風(fēng)機(jī)風(fēng)道靜壓回路階躍響應(yīng)仿真
圖12 模型仿真階躍輸入信號(hào)曲線擬合
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VAV Control System with WIFI Transmission Function
Wang Zhe,Wang Yannian
(College of Electronic Information,Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China)
In view of the traditional thermostat controller,using single chip microprocessor 89C51,without the characteristics of wireless transmission and setting,the intelligent industrial air conditioning system base on VAV control system with single-duct variable hydrostatic,with WIFI communication protocol architecture and collocation with enhanced STM32 core on Embedded System,is designed.It focuses on its external system configuration,including frequency fan fuzzy controller design and RF module program base on CC2540,and describes the hardware design and software drivers on STM32 and the construction on WIFI network communications structure.The indoor temperature can be monitored and regulated in wireless by wireless temperature acquisition system and VAV system controller.The thermostat internal system,integrated with two Fuzzy adaptive control algorithms of frequency fan,is identified and set for related parameters by the user.The accurate adjustment between the host computer and the thermostat is acheived by WIFI protocol,and the communication is set to make the control system more intelligent.
Central air-conditioning industry;WIFI communicate;VAV control system;Fuzzy adaptive control;Embedded applications;Linux system migration
10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.022
TP274
A
1002-2279-(2017)01-0086-05
王哲(1992-),男,陜西省西安市人,碩士研究生,主研方向:無(wú)線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì),工業(yè)控制PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)。王延年(1963-),男,吉林省長(zhǎng)春人市人,教授,主研方向:工業(yè)控制信息系統(tǒng)。
2016-05-10