中央空調系統(tǒng)建模及其嵌入式控制器的設計.pdf

1、中央暖通空調系統(tǒng)用于滿足生產或生活的需要。由于生產或者生活中時時刻刻都有不同的發(fā)熱源及冷卻系統(tǒng)使溫度維持在一定的范圍之內，暖通空調系統(tǒng)的電子智能自動控制系統(tǒng)的設計是建立在維護系統(tǒng)正常運行的基礎上的，本質上是一種非穩(wěn)態(tài)的動態(tài)設計，這就使得暖通空調系統(tǒng)設計和暖通空調控制系統(tǒng)設計的一定程度的不匹配。因此需要一種相對先進的控制算法來進行實時的控制。
　　 免疫遺傳算法又稱免疫算法，是受生物免疫系統(tǒng)原理的啟發(fā)，在遺傳算法的基本框架上，結合

2、免疫系統(tǒng)的特殊信息處理機制發(fā)展起來的一種新型的優(yōu)化算法；其可有效的改善未成熟收斂缺陷，顯著提高了全局和局部搜索能力。將免疫算法應用于PID參數(shù)整定技術，明顯的加強了PID參數(shù)整定能力，提高了PID控制的效率，對于工業(yè)控制具有一定的現(xiàn)實意義。
　　 本文首先建立中央暖通空調系統(tǒng)的模型，通過模糊免疫的方法對HVAC系統(tǒng)進行P、I、D參數(shù)整定，并在Matlab進行軟件仿真，以體現(xiàn)這種算法的優(yōu)越性；然后在基于ARM(Cortex-M3)

3、的硬件平臺上，借助MDK集成開發(fā)環(huán)境及RTX實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)這種控制算法，設計出一種基于模糊免疫PID算法的HVAC嵌入式控制器，以達到對于具有非線牲、滯后大、慣性大、多干擾特性中央空調系統(tǒng)實現(xiàn)良好的控制。論文的主要研究內容和創(chuàng)新點如下：
　　 (1)模糊免疫PID控制算法在中央空調系統(tǒng)中的應用研究
　　 暖通空調的控制普遍采用PI或PID控制方法，而其中P、I、D的參數(shù)的整定問題是關鍵的課題。根據(jù)生物免疫機理，免疫算

4、法應運而生，而將免疫算法和模糊算法相結合，應用到傳統(tǒng)的PID控制方法中，便是模糊免疫PID算法。這種算法具有更好的控制效果。本章首先建立非線性、滯后大、慣性大、多干擾特性的中央暖通空調系統(tǒng)的控制模型，然后將模糊免疫進行P、I、D參數(shù)的整定的方法應用到中央空調系統(tǒng)的控制中，通過Matlab仿真，發(fā)現(xiàn)其控制效果具有很好的改良。
　　 (2)HVAC嵌入式控制器的硬件設計
　　 ARM公司是全球領先的半導體知識產權(IP)提供

5、商，并因此在數(shù)字電子產品的開發(fā)中處于核心地位。ARM CortexTM-M3處理器具有出色的計算性能和對事件的卓越系統(tǒng)響應，低動態(tài)和靜態(tài)功率，高性能低成本的特點。STM32F103系列產品則是基于CortexTM-M3核，由著名半導體廠商ST推出的SOC芯片。該芯片主頻72MHz，集成ADC、DAC、UART、I2C等外設，非常適合作為HVAC系統(tǒng)的主控芯片。我們基于STM32F103RBT6設計了一個HVAC嵌入式控制器，包括MCU的

6、最小系統(tǒng)；信號的采集電路；通信電路；LCD的人機界面電路；控制輸出電路；數(shù)據(jù)存儲電路等主要部分，并在此硬件電路上進行模糊免疫PID算法的軟件實現(xiàn)。
　　 (3)HVAC嵌入式控制器的軟件設計
　　 在STM32F103RBT6的硬件電路上，利用ARM公司推出的MDK開發(fā)環(huán)境，使用了工業(yè)控制領域得到廣泛應用的RTX實時操作系統(tǒng)，將模糊免疫算法在中央空調系統(tǒng)中的應用研究成果軟件實現(xiàn)，設計出基于模糊免疫PID算法的中央暖通空調