基于ARM的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)控制研究

宋 池

（江蘇柏誠工程股份有限公司，江蘇 無錫 214072）

0 引言

中央空調(diào)系統(tǒng)是智能建筑創(chuàng)造舒適、高效的工作和生活環(huán)境不可缺少的重要設(shè)備。中央空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)控制在智能建筑樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中占有非常重要的地位。自20世紀(jì)70年代世界能源危機(jī)以來，各國政府都十分重視開發(fā)新能源與“節(jié)省能源”，促使了蓄冷技術(shù)的迅速發(fā)展。冰蓄冷是中央空調(diào)制冷的一種方式。冰蓄冷空調(diào)不僅使電力負(fù)荷“削峰填谷”，提高發(fā)電設(shè)備的年利用率，也保證制冷機(jī)組滿負(fù)荷高效率運(yùn)行，降低空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，帶來了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。

中央空調(diào)傳統(tǒng)的控制方法是采用直接數(shù)字控制器（DDC）方式，將各個(gè)溫度、濕度檢測點(diǎn)和控制點(diǎn)連接到1臺(tái)或多臺(tái)DDC，實(shí)行多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用DDC方式進(jìn)行控制具有引線過長、施工不便及系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性和可靠性不高等缺點(diǎn)。為此可采用CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)中央空調(diào)控制系統(tǒng)[4]。

1 系統(tǒng)介紹

冰蓄冷空調(diào)就是在夜間電網(wǎng)低谷時(shí)期開啟制冷機(jī)制冷，由蓄冷設(shè)備將冷量以冰的形式儲(chǔ)存起來，在白天電網(wǎng)峰時(shí)段冰融化釋放冷量，用以滿足部分或全部供冷要求，使制冷機(jī)少開甚至不開，從而達(dá)到電網(wǎng)的削峰填谷目的。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)框圖如圖1所示[1]。

系統(tǒng)采用分布式監(jiān)控方案，主要包括操作站（上位機(jī)）和現(xiàn)場采集控制系統(tǒng)。上位機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收與管理，控制命令的發(fā)送及系統(tǒng)工作過程的實(shí)時(shí)顯示等。各單元控制器作為下位機(jī)（采用ARM微控制器）負(fù)責(zé)現(xiàn)場溫度的檢測采集及閥門工作狀態(tài)的控制等。單元控制器內(nèi)的CAN控制器負(fù)責(zé)接收來自CAN總線的數(shù)據(jù)以及通過CAN總線向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機(jī)通過插在PC總線擴(kuò)展槽內(nèi)的智能CAN總線通信適配卡連接CAN總線與各單元控制器。圖2是本控制系統(tǒng)的框圖。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于數(shù)字式溫度傳感器更適用于與各種微處理接口組成的自動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，可以克服模擬傳感器與微處理接口時(shí)需要信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器的不足之處。故溫度檢測裝置采用DS18B20單總線數(shù)字式溫度傳感器，可以把溫度值直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，其輸入量程為-55～＋125 ℃。

2.1 控制器的選擇

CAN總線廣泛用于離散控制領(lǐng)域，其總線規(guī)范也已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)。

CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線仲裁技術(shù)，通過設(shè)置優(yōu)先級來避免沖突，通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km（5 kbps），通訊速率最高可達(dá)1 Mbps（40 m），網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。

故系統(tǒng)采用CAN總線進(jìn)行系統(tǒng)通信。因此也選用了帶CAN控制器的ARM微控制器LPC2119。

LPC2119基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM 7TDMI-STM CPU，并帶有128/256k字節(jié)嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。

由于LPC2119非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位ADC、2路CAN、M通道、46個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯(cuò)維護(hù)總線。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及其他各種類型的應(yīng)用[5]。

2.2 CAN接口板設(shè)計(jì)

LPC2119雖然內(nèi)嵌CAN控制器，但必須與CAN收發(fā)器連接才能具備收發(fā)功能。首先，CAN收發(fā)器把CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換成抗干擾能力強(qiáng)的差分電平，然后往CAN總線上發(fā)送；接收時(shí)剛好相反，CAN收發(fā)器接收到CAN總線的信號(hào)后，轉(zhuǎn)換成邏輯電平送給CAN控制器，完成接收過程。在本系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)這一功能的器件即CAN總線驅(qū)動(dòng)器82C250。

82C250是Philips公司的CAN總線驅(qū)動(dòng)器，是CAN控制器與物理總線之間的接口。器件可以提供對總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。表1是其引腳功能說明。

EasyARM 2100開發(fā)板可以很方便地與CAN接口板連接，組成完整的CAN節(jié)點(diǎn)。CAN接口板的原理圖如圖3所示。

表1 82C250引腳說明

2.3 閥門控制電路設(shè)計(jì)

閥門控制電路原理圖如圖4所示。

閥門是由4～20 mA電流驅(qū)動(dòng)，因此必須把微控制器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量輸出。由于選用的ARM微控制器LPC2119不帶D/A轉(zhuǎn)換功能，必須另外選擇D/A芯片進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)選用I2C總線接口的D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC6573。由于該D/A芯片是電壓輸出，還需進(jìn)行V/I轉(zhuǎn)換，在此選用V/I轉(zhuǎn)換芯片AD694。

DAC6573是低功耗、4通道、10位電壓輸出的DAC，使用I2C兩線串行接口，在總線上最多可擴(kuò)展到16片，即64通道。

AD694是AD公司推出的電壓電流轉(zhuǎn)換芯片，0～2 V/0～10 V輸入、0～20 mA/4～20 mA輸出，4.5～36 V寬范圍電源供電，提供精確的2 V或10 V基準(zhǔn)電壓。

3 控制方案

本設(shè)計(jì)的被控對象是空調(diào)房間，輸入量是冷卻水流量，輸出量是房間內(nèi)溫度。由操作經(jīng)驗(yàn)可知，被控對象是一個(gè)大滯后、非線性、時(shí)變的復(fù)雜控制對象，難以確定精確的數(shù)學(xué)模型，所以采用積分分離PID控制算法。即在偏差較大時(shí)，采用PD控制，可避免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；在偏差較小時(shí)，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度[6]。

在普通的PID數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差、提高精度。但在過程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使算得的控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能最大動(dòng)作范圍對應(yīng)的極限控制量，最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的振蕩，這是某些生產(chǎn)過程中絕對不允許的。引進(jìn)積分分離PID控制算法，既保持了積分作用，又減少了超調(diào)量，使得控制性能有了較大的改善。其具體實(shí)現(xiàn)如下：

（1）根據(jù)實(shí)際情況，認(rèn)為設(shè)定一閥門閾值ε＞0。

（2）當(dāng)|e（k）|＞ε時(shí)，也即偏差值|ε（k）|比較大時(shí)，采用PD控制，可避免過大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。

（3）當(dāng)|e（k）|≤ε時(shí)，也即偏差值|ε（k）|比較小時(shí)，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。

寫成計(jì)算公式，可在積分項(xiàng)乘一個(gè)系數(shù)β，β按下式取值：

以位置式PID算式為例，寫成積分分離形式為：

當(dāng)|e（k）|＞ε時(shí)，即β=0，進(jìn)行PD控制，PD控制算法為：

其中：

當(dāng)|e（k）|≤ε時(shí)，取β=1，進(jìn)行PID控制，PID控制的算法采用增量式PID控制算法，即：

其中：

通過式（1）、（2），便可編制出計(jì)算機(jī)控制程序，其流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)波形

根據(jù)設(shè)計(jì)搭建電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

4.1 CAN總線通信實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與波形

在實(shí)驗(yàn)中，對CAN總線通信程序進(jìn)行測試。利用CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)“00 01 02 03 04 05 06 07”到上位機(jī)，在CANTEST測試軟件窗口中能接收到該數(shù)據(jù)幀，并測得相應(yīng)的波形，如圖6所示。

4.2 I2C總線數(shù)據(jù)傳輸波形測量

在實(shí)驗(yàn)中，對I2C總線發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。圖7是利用I2C總線對DAC6573發(fā)送數(shù)據(jù)“3FF”時(shí)測得的波形。波形圖中1代表SDA線上的波形，2代表SCL線上的波形。

5 結(jié)語

本文采用ARM器件作為冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)電氣控制的控制部件，選用I2C總線接口的D/A轉(zhuǎn)換芯片和V/I轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計(jì)了閥門控制等硬件電路和控制程序，并由實(shí)驗(yàn)證實(shí)了控制電路及程序的正確性。對冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的控制起到了非常好的控制效果。

[1] 嚴(yán)德隆，張維君.空調(diào)蓄冷應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997

[2] 楊曉軍.冰蓄冷空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].西安：西安理工大學(xué)，2007

[3] 梅海峰.考慮負(fù)荷影響的空調(diào)冰蓄冷系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行[D].上海：東華大學(xué)，2006

[4] 林勇.CAN總線在中央空調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2001，27（7）：33～34

[5] 周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)[M].第2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005

[6] 陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002