??? 摘 要：針對(duì)移動(dòng)基站溫度控制消耗大量能源的弊端，利用冬季室外冷源，通過(guò)智能控制水泵、風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，將室內(nèi)的熱量由乙二醇液體的循環(huán)傳達(dá)到室外冷凝器，再由室外冷凝器將乙二醇液體的熱量散發(fā)出去，達(dá)到降溫的目的。保證機(jī)房在恒溫、恒濕和潔凈的條件下節(jié)約能源。由于系統(tǒng)存在很大程度的非線性、大滯后和參數(shù)時(shí)變性，設(shè)計(jì)中結(jié)合模糊控制和PID算法的優(yōu)點(diǎn)，采用模糊PID控制算法，既保證了溫度調(diào)節(jié)的快速性，又滿(mǎn)足了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差很小。
??? 關(guān)鍵詞：溫度控制；節(jié)能；模糊控制；模糊PID控制
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??? 空調(diào)用電約占機(jī)房總用電量的50%左右，因而存在較大的節(jié)能潛力?？茖W(xué)地降低空調(diào)用電、減少資源浪費(fèi)成為節(jié)能的主要手段[1]。
??? 我國(guó)北方高緯度地區(qū)，10℃以下的時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)180天以上，有著豐富的可以利用的自然冷源。以哈爾濱市為例，10℃以下的時(shí)間可達(dá)180天以上，冬季長(zhǎng)達(dá)半年之久，室外最低氣溫可達(dá)-38℃，通常一月份的平均氣溫在-20℃左右。為了克服現(xiàn)有空調(diào)制冷系統(tǒng)在冬季不能利用自然冷源的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基站專(zhuān)用溫度控制節(jié)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠利用自然冷源達(dá)到降溫節(jié)能的目的，同時(shí)確保機(jī)房?jī)?nèi)其他設(shè)備的安全，投資綜合效益高，節(jié)能效果顯著，預(yù)計(jì)耗電量?jī)H為現(xiàn)有空調(diào)全年耗電量的60%～70%，運(yùn)行成本低且設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。
1 系統(tǒng)工作原理
??? 本系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)實(shí)際工作流程如下：控制系統(tǒng)通過(guò)回風(fēng)口的溫度傳感器發(fā)出信號(hào)，當(dāng)回風(fēng)溫度高于設(shè)備溫度，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)給水泵，水泵開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，室外風(fēng)機(jī)通電，再由室外冷凝器上的溫度傳感器反饋信號(hào)，室外冷凝器管溫度高于設(shè)置溫度，風(fēng)機(jī)起動(dòng)，低于設(shè)置溫度時(shí)，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)回風(fēng)口溫度低于設(shè)置溫度時(shí)，恒溫控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，水泵停止工作，室外風(fēng)機(jī)斷電，以此來(lái)保證室內(nèi)的恒定溫度。當(dāng)春秋季節(jié)，白天室外溫度過(guò)高，乙二醇系統(tǒng)不能滿(mǎn)足室內(nèi)溫度要求，原設(shè)置壓縮機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)，來(lái)保證室內(nèi)恒定溫度。如室內(nèi)溫度低于原設(shè)備設(shè)定點(diǎn)，壓縮機(jī)停止工作，乙二醇系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)，來(lái)保持室內(nèi)恒定溫度，以達(dá)到省電的目的。乙二醇系統(tǒng)室外冷凝管處加裝溫度傳感器，對(duì)乙二醇冷凝風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，以防止冬季乙二醇回液溫度過(guò)低。
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2 硬件電路設(shè)計(jì)
??? 選用飛思卡爾S12型處理器為控制核心設(shè)計(jì)出單片機(jī)小系統(tǒng)(包括電源模塊、鍵盤(pán)、顯示、時(shí)鐘、串行通信)。電源模塊如圖2所示。溫度、濕度測(cè)量和數(shù)據(jù)采集、處理電路以及風(fēng)機(jī)、水泵的控制電路等系統(tǒng)硬件電路，同時(shí)考慮對(duì)電機(jī)和水泵等交流高壓器件的保護(hù)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)(故障)遠(yuǎn)程報(bào)警電路。
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??? S12具有16位處理能力，速度明顯比89C51快，而目S12有足夠大的程序存儲(chǔ)空間和內(nèi)部RAM可用，方便了軟件編寫(xiě)。S12把AD和EEPROM等很多資源都集成到CPU上，使電路的復(fù)雜程度降低，可靠性也得以提高。S12具有很好的防程序跑飛的手段。S12內(nèi)部集成了模糊推理機(jī)，方便了算法的研究及應(yīng)用[2]。
??? 溫度采集電路如圖3所示。采用了DS18B20數(shù)字單線智能溫度傳感器，將采集的溫度數(shù)據(jù)送入控制核心加以處理。DS18B20屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，它具有體積小、接口方便、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。采用單總線專(zhuān)用技術(shù)，無(wú)須經(jīng)過(guò)其他變換電路，直接輸出被測(cè)溫度值，測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，測(cè)量分辨率為0.062 5℃，適合本系統(tǒng)的溫度采集。
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??? 時(shí)鐘、顯示、串行通信電路如圖4所示?？梢詫?shí)時(shí)顯示風(fēng)機(jī)水泵運(yùn)行情況，獲得直觀監(jiān)測(cè)。RS232串行通信電路可將數(shù)據(jù)送入PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并存儲(chǔ) ；顯示屏采用128×64液晶，顯示室內(nèi)外溫度、風(fēng)扇水泵電機(jī)的運(yùn)行情況、時(shí)間等信息；鍵盤(pán)操作可對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行控制或改寫(xiě)[3]。
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??? 另外對(duì)水泵和風(fēng)機(jī)控制方面做了缺相、相序錯(cuò)誤的檢測(cè)和保護(hù)；有故障報(bào)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控電路，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行；對(duì)強(qiáng)弱電加以隔離，保證控制系統(tǒng)不受干擾[4]。
3 數(shù)學(xué)模型
??? 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立基于以下假設(shè)：(1)乙二醇在管內(nèi)作一維逆流流動(dòng)；(2)只考慮徑向熱量交換不計(jì)軸向熱量傳遞；(3)換熱器金屬管壁的導(dǎo)熱熱阻不計(jì)；(4)忽略乙二醇在管內(nèi)的壓降[5]。
??? 根據(jù)上述假設(shè)物理模型簡(jiǎn)化為如圖5所示。
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??? 乙二醇側(cè)流動(dòng)換熱方程包括換熱溫差與流動(dòng)焓差其計(jì)算公式為：
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式中：mr為管中乙二醇儲(chǔ)量；mr為乙二醇的焓；ar為乙二醇側(cè)換熱系數(shù)；Ta為管外空氣溫度；Ai為冷凝器管內(nèi)斷面積；Tr為微元斷面管內(nèi)壁乙二醇液體的溫度。
??? 空氣側(cè)流動(dòng)換熱方程包括換熱溫差與流動(dòng)焓差其計(jì)算公式為：
??? 
式中：ma為管中空氣儲(chǔ)量；ha為空氣焓；ar為空氣側(cè)換熱系數(shù)。
??? 乙二醇側(cè)換熱系數(shù)的計(jì)算如式(3):
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式中：
為組合物性參數(shù)；tk為冷凝溫度；tw為管壁溫度
??? 空氣側(cè)換熱系數(shù)的計(jì)算為如式(4):
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式中：
其中wmax為最大迎風(fēng)面風(fēng)速；vf為空氣運(yùn)動(dòng)粘度；
其中s2為橫向的管間距；N為排數(shù)；deq為當(dāng)量直徑。
4 控制算法
??? 模糊PID控制器具有模糊控制器所具有的動(dòng)態(tài)特性好和魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于模糊PID控制器實(shí)質(zhì)上就是變參數(shù)的PID控制器，因此具有PID控制穩(wěn)態(tài)性好的優(yōu)點(diǎn)，可以克服常規(guī)模糊控制器穩(wěn)態(tài)存在靜差的缺陷，即模糊PID控制器在控制過(guò)程的前期階段具有模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)，而在控制過(guò)程的后期階段又具有PID調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢(shì)。模糊PID控制框圖如圖6所示[6]。
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??? 本系統(tǒng)的輸入量是設(shè)定的溫度值，所以這里選擇模糊控制器的輸入量為溫度的偏差e和偏差變化率ec，輸出量為PID參數(shù)的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd。而最終輸出為控制風(fēng)機(jī)和泵運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間。模糊推理過(guò)程為雙輸入三輸出系統(tǒng)。兩個(gè)輸入分別為系統(tǒng)誤差e以及誤差的變化率ec，而輸出則為PID調(diào)節(jié)器的三個(gè)控制參數(shù)Kp、Ki和Kd。
??? 模糊邏輯控制器的工作過(guò)程可以描述為：首先將模糊控制器的輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量供模糊邏輯決策系統(tǒng)用，模糊邏輯決策器根據(jù)控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系R，應(yīng)用模糊邏輯推理算法得出控制器的模糊輸出控制量。最后精確化計(jì)算得到精確的控制值去控制被控制對(duì)象。描述輸入變量e和ec以及輸出變量Kp、Ki和Kd的語(yǔ)言集的模糊子集及其論域定義如下：
??? (1) e、ec和Kp的模糊子集為：{NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}；
??? (2) Ki和Kd只取正值，其模糊子集為：{ZO，PS，PM，PB}。
??? 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況制定模糊控制表、得到輸入量和輸出量的隸屬函數(shù)及其分布如圖7所示。
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??? 為了正確控制輸出量，本文根據(jù)Kp、Ki和Kd這三個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響情況，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程的掌握，采用理論分析加實(shí)驗(yàn)“試湊”得到模糊PID控制規(guī)則，總結(jié)歸納如下[7]:
??? (1)在偏差較大時(shí)，為盡快消除偏差，提高響應(yīng)速度，Kp取大值，Ki取零；在偏差較小時(shí)，為繼續(xù)消除偏差，并防止超調(diào)過(guò)大，產(chǎn)生振蕩，Kp值要減小，Ki取小值；在偏差很小時(shí)，為消除靜差，克服大超調(diào)，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，Kp值繼續(xù)減小，Ki值不變或稍取大一點(diǎn)。
??? (2)當(dāng)e和ec同號(hào)時(shí)，被控量是朝著偏離給定值的方向變化，而當(dāng)e和ec異號(hào)時(shí)，被控量朝著接近給定值的方向變化。因此，當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，反號(hào)的比例作用阻礙積分作用，避免積分超調(diào)及隨之帶來(lái)的振蕩，有利于控制；而當(dāng)被控量遠(yuǎn)未接近給定值并向給定值變化時(shí)，則由于這兩項(xiàng)反向，將會(huì)減慢控制過(guò)程。在偏差e較大，偏差變化ec與偏差e異號(hào)時(shí)，Kp值取零或負(fù)值，以加快控制的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
??? (3)偏差變化ec的大小表明偏差變化的速率，ec越大，Kp取值越小，Ki取值越大,反之亦然。
??? (4)微分作用類(lèi)似于人的預(yù)見(jiàn)性，它阻止偏差的變化，有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)整時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，在e較大時(shí)，Kd取零，實(shí)際為Ki控制；在e較小時(shí)，Kd取一正值，實(shí)行PID控制。
??? 由于模糊控制器輸出是一個(gè)模糊集合，它無(wú)法對(duì)精確的模擬或數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行控制。因此，必須進(jìn)行精確化計(jì)算得出此模糊集中最有代表意義的確定值作為系統(tǒng)的輸出控制，主要方法有：最大隸屬度法、重心法、加權(quán)平均法等，本文采用重心法，即加權(quán)平均法，記為：
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其中：xi表示論域中的元素；μU1(xi)表示每個(gè)元素對(duì)應(yīng)的隸屬度。
5 系統(tǒng)仿真
??? 用MATLAB中的Simulink和Fuzzy工具箱，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行仿真研究，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)采用不同的控制策略，得出它們各自的仿真結(jié)果，然后進(jìn)行分析比較。
??? 設(shè)控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為:
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??? 設(shè)Tmin=100 s；Kr=2.13；Tr=76 s；采樣周期T=0.014×Tr=1.064；比例系數(shù)Kp=0.63×Kr=1.341 9；積分時(shí)間常數(shù)Ki=0.49×Tr=37.24；微分時(shí)間常數(shù)Kd=0.14×Tr=10.36；室溫范圍為25℃～27℃，達(dá)到調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小且穩(wěn)態(tài)誤差在±1℃內(nèi)的要求。仿真結(jié)果如圖8、9、10所示。
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??? 從階躍響應(yīng)曲線來(lái)看，采用模糊PID的控制調(diào)節(jié)時(shí)間減小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度增加，在抗干擾能力和對(duì)象參數(shù)變化時(shí)的適應(yīng)性都優(yōu)于常規(guī)的模糊控制和PID控制,系統(tǒng)在設(shè)定值范圍內(nèi)振蕩減弱比常規(guī)的PID控制具有更好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性。
??? 針對(duì)當(dāng)前空調(diào)制冷主要靠壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，利用氟利昂兩態(tài)的變化吸收熱量來(lái)降溫進(jìn)而消耗大量的電能這一缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種利用冬季室外冷源，基于模糊PID算法的移動(dòng)基站溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用飛思卡爾(Freescale)S12型微處理器為控制核心實(shí)現(xiàn)了機(jī)房溫度、濕度的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制。MATLAB仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)既能保證溫度調(diào)節(jié)的快速性，又能滿(mǎn)足系統(tǒng)的穩(wěn)定性，達(dá)到有效地節(jié)能的作用。
??? 該控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定、智能化、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、溫度控制精度高，突出的節(jié)能效果必將在未來(lái)的市場(chǎng)發(fā)揮卓越的作用。
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