PID控制技术在中央空调系统中的应用

PID控制技术在中央空调系统中的应用

李志博

安利（中国）日用品有限公司广东广州510000

摘要：本文详细介绍了智能PID控制技术在中央空调系统中的应用，通过研究和进行实践测试，该PID控制系统在继承传统PID控制系统优点的同时，还充分地利用了计算机技术进行空调温湿度控制及动态监测，在使用过程中上取得较好的效果，具有极高的应用前景。

关键词：中央空调；PID控制；系统；应用

传统PID控制系统在中央空调系统实际工作中提供了许多便利，但也存在不少需要改进的问题。智能PID控制系统在传统PID控制器所表现出来的稳定性、快速性和控制精度方面进行了改善升级，在提高系统动态效应的同时减少了能源损耗，使用价值极高。由于中央空调在各领域使用广泛，而效果显著的智能控制方式更能让中央空调系统如虎添翼，其应用价值尤其显著。

1智能PID简介

智能控制是动态系统过程控制中正在发展的一个方向，它不完全依靠被控对象的模型，而是依靠模拟人的经验和知识来判定、修正控制规律，使控制模式更适合对象，控制结果更佳，现分为专家型控制、模糊控制和神经网络控制等类型。智能PID是利用智能控制模式实时控制PID控制模式和参数修正，主要是根据输入值、输出值、偏差值、偏差变化率等形成的一种产生式规则，将人的丰富操作经验和PID控制良好的适应性和稳定性相结合，产生好的控制效果。

2系统总体方案

本系统包括专家控制系统、传感系统和通信系统等，构建了以专家型智能PID控制算法为核心的控制系统，系统总体设计框图如图1所示。星级酒店中央空调智能PID控制系统主要由，温、湿度采集器，PID算法控制模块，增湿器模块，变频器控制模块，上位机通信模块和温湿度设定值模块等组成。PID控制算法模块是采用专家系统模式对中央空调系统领域﹐以专家水平解决中央空调系统中专门任务的计算器系统﹐其内部写入该领域中大量专家水平的知识与经验﹐利用专家的知识和解决问题的方法来解决问题，采用规则PID控制形式，通过对中央空调系统误差和系统输出的识别，以了解被控对象过程动态特性的变化，在线调整PID3个参数，直到过程的响应曲线为最佳响应曲线。根据温、湿度设定值和温湿度传感器采集回来的当前温、湿度值进行专家控制解算，获得增湿器湿度控制量和轴流风机的转速控制量，控制中央空调风道的温、湿度和风量，从而使酒店被控空间的温、湿度达到设定的精确值。

图1专家型PID控制器总体设计

3系统硬件部分设置

本部分工程的功能主要完成被控客房等空间的温、湿度采集输入、分析、计算、显示和控制输出信号以及对上位机通信等，结构如图2所示。其核心PID控制算法模块的任务是将温湿度传感器采集的模拟信号，转换成数字信号，在单片机内经过分析、计算，把执行信号分别输送给增湿器和变频器，同时把实时信号上传给上位机，进行保存，用于系统辨识和控制参数确定。

图2系统硬件结构

PID控制算法模块使用ARM单片机STM32F107VCT6，与上位机、温湿度之间的通信，依靠RS485通信模块完成，增湿器模块采用斯普柯林公司KL220V-S06电极增湿器湿器，温、湿度传感数据采集模块使用SHT1x数字温湿度传感器--MODBUS-RTU型，变频器控制模块使用西门子通用变频器。

本文使用的STM32F107VCT6是专家型PID控制算法的计算开发平台，主频100MHz，内部含有256K字节的Flash和64K字节的SRM，用于参数保存，计数器数12个，PWM通道数20个，输入/输出线数90，1个RS485接口，用于与上位机、温湿度传感器和变频器通信，2路DAC数模转换接口，用于控制增湿器的加湿量。内核采用ARMCortex-M3处理器，如图3所示，Cortex-M3使用M：Thumb-2ISA子集，包含所有基本的16位和32位Thumb-2指令，用于多媒体，SIMD，E（DSP）和ARM系统访问的模块除外，外部中断可配置为1～240个，优先级位可配置为3～8位，中断优先级可动态地重新配置，8个存储器区，子区禁止功能（SRD），实现对存储器区的有效使用。AHBLiteICode、DCode和系统总线接口，APB专用外设总线（PPB）接口，Bitband支持，bit-band的原子写和读访问。当内核正在运行、被中止、或处于复位状态时，能对系统中包括Cortex-M3寄存器组在内的所有存储器和寄存器进行调试访问，串行线（SW-DP）或JTAG（JTAG-DP）调试访问，或两种都包括。实时时钟（RTC）独立的看门狗定时器，可编程的接口支持：FreescaleSPI总线，NationalSemiconductorMICROWIRE总线。

图3Cortex-M3模块框图

KL220V-S06电极增湿器湿器是斯普柯林公司最新研发出的一款针对中央空调主风道的电极加湿控制系统，微电脑芯片中心控制，具备智能PID控制性能，工作电压AC220V/50-60HZ，控制板功耗小于5W，控制方式：比例0-10V或4-20ma，高水位响应约5S，能够根据信号的大小，自动调节加湿量（外部控制），或根据环境检测湿度与设定值湿度的湿度差，按设定工作方式，输出加湿量（本地控制）。

SHT1x数字温、湿度传感器采用通用的RS485，MODBUS-RTU通讯协议，直接跟单片机联机使用。内置3个MODBUS寄存器。从设备可以设置波特4800，9600，115200bps，格式8N1。

4系统软件部分设置

软件部分编写采用模块化方式完成，如图4所示，对每一个模块编程，便于调试和检查，也便于每个模块的扩展，系统软件包含初始化模块、通信模块、数据处理模块和按键扫描四部分，采用C语言编程，编译工具为Keil（V4.0），通过此Keil和J-Link工具可实现程序的编译和在线调试，专家系统软件部分编写流程图如图4所示。

图4专家系统软件编写流程图

系统初始化软件模块，是为了在进入主程序之间，做好必要的准备工作。包含RS485通信初始化；GPIO口初始化，将4个GPIO口初始化为上拉输入；DAC初始化，将2个DAC通道中的一个激活，可输出连续可调的电压信号（0~3.3V），用于控制增湿器；显示初始化，设置显示屏的颜色，固定字符的显示等。

通信软件模块与上位机的通信，向上位机发送数据：温湿度设定值、当前值，PID控制输出量等；与温湿度传感器通信，

采集温湿度传感器的温度值和湿度值；与变频器通信，通过与变频器的通信来控制轴流风机的转速。所有数据乘100按整数发送，发送的格式见下表1所示。

数据处理模块对输入的温、湿度等数据进行分析、计算PID算法模式处理，使输出数据达到理想的精确值。流程图如图5所示。

表1数据通信格式

图5温度处理流程图

5结束语

目前，智能PID控制系统在中央空调控制中得到了很好的应用，获得了很不错的控制效果，随着工程应用实践经验积累和科学技术不断升级提高，智能PID控制系统对其自身的理论研究和实践效果提出了更高的要求，以提高动态控制效果，使得能源消耗更低，使用效果更佳。

参考文献：

[1]何佳佳，侯再恩.PID参数优化算法[J].化工自动化及仪表.2010（11）

[2]梅英、杜云峰、杨洋.基于模糊技术的中央空调控制器设计[J].自动化技术与应用.2011（10）