??? 摘 要：針對移動基站溫度控制消耗大量能源的弊端，利用冬季室外冷源，通過智能控制水泵、風(fēng)機的運轉(zhuǎn)，將室內(nèi)的熱量由乙二醇液體的循環(huán)傳達到室外冷凝器，再由室外冷凝器將乙二醇液體的熱量散發(fā)出去，達到降溫的目的。保證機房在恒溫、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)時變性，設(shè)計中結(jié)合模糊控制和PID算法的優(yōu)點，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)用電約占機房總用電量的50%左右，因而存在較大的節(jié)能潛力。科學(xué)地降低空調(diào)用電、減少資源浪費成為節(jié)能的主要手段[1]。
??? 我國北方高緯度地區(qū)，10℃以下的時間較長，可達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℃以下的時間可達180天以上，冬季長達半年之久，室外最低氣溫可達-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，本文設(shè)計了基站專用溫度控制節(jié)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠利用自然冷源達到降溫節(jié)能的目的，同時確保機房內(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)計耗電量僅為現(xiàn)有空調(diào)全年耗電量的60%～70%，運行成本低且設(shè)備運行穩(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)實際工作流程如下：控制系統(tǒng)通過回風(fēng)口的溫度傳感器發(fā)出信號，當(dāng)回風(fēng)溫度高于設(shè)備溫度，控制系統(tǒng)發(fā)出信號給水泵，水泵開始運轉(zhuǎn)，室外風(fēng)機通電，再由室外冷凝器上的溫度傳感器反饋信號，室外冷凝器管溫度高于設(shè)置溫度，風(fēng)機起動，低于設(shè)置溫度時，風(fēng)機停止運轉(zhuǎn)。當(dāng)回風(fēng)口溫度低于設(shè)置溫度時，恒溫控制系統(tǒng)發(fā)出信號，水泵停止工作，室外風(fēng)機斷電，以此來保證室內(nèi)的恒定溫度。當(dāng)春秋季節(jié)，白天室外溫度過高，乙二醇系統(tǒng)不能滿足室內(nèi)溫度要求，原設(shè)置壓縮機系統(tǒng)啟動，來保證室內(nèi)恒定溫度。如室內(nèi)溫度低于原設(shè)備設(shè)定點，壓縮機停止工作，乙二醇系統(tǒng)開始啟動，來保持室內(nèi)恒定溫度，以達到省電的目的。乙二醇系統(tǒng)室外冷凝管處加裝溫度傳感器，對乙二醇冷凝風(fēng)機進行控制，以防止冬季乙二醇回液溫度過低。
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2 硬件電路設(shè)計
??? 選用飛思卡爾S12型處理器為控制核心設(shè)計出單片機小系統(tǒng)(包括電源模塊、鍵盤、顯示、時鐘、串行通信)。電源模塊如圖2所示。溫度、濕度測量和數(shù)據(jù)采集、處理電路以及風(fēng)機、水泵的控制電路等系統(tǒng)硬件電路，同時考慮對電機和水泵等交流高壓器件的保護和系統(tǒng)運行狀態(tài)(故障)遠程報警電路。
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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空間和內(nèi)部RAM可用，方便了軟件編寫。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，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、傳輸距離遠等特點。采用單總線專用技術(shù)，無須經(jīng)過其他變換電路，直接輸出被測溫度值，測溫范圍為-55℃～+125℃，測量分辨率為0.062 5℃，適合本系統(tǒng)的溫度采集。
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??? 時鐘、顯示、串行通信電路如圖4所示。可以實時顯示風(fēng)機水泵運行情況，獲得直觀監(jiān)測。RS232串行通信電路可將數(shù)據(jù)送入PC機進行數(shù)據(jù)分析并存儲 ；顯示屏采用128×64液晶，顯示室內(nèi)外溫度、風(fēng)扇水泵電機的運行情況、時間等信息；鍵盤操作可對各項指標進行控制或改寫[3]。
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??? 另外對水泵和風(fēng)機控制方面做了缺相、相序錯誤的檢測和保護；有故障報警和遠程監(jiān)控電路，保證系統(tǒng)安全運行；對強弱電加以隔離，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；(2)只考慮徑向熱量交換不計軸向熱量傳遞；(3)換熱器金屬管壁的導(dǎo)熱熱阻不計；(4)忽略乙二醇在管內(nèi)的壓降[5]。
??? 根據(jù)上述假設(shè)物理模型簡化為如圖5所示。
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??? 乙二醇側(cè)流動換熱方程包括換熱溫差與流動焓差其計算公式為：
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式中：mr為管中乙二醇儲量；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)流動換熱方程包括換熱溫差與流動焓差其計算公式為：
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式中：ma為管中空氣儲量；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為空氣運動粘度；
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態(tài)特性好和魯棒性好的優(yōu)點。同時由于模糊PID控制器實質(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，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控制器在控制過程的前期階段具有模糊控制器的優(yōu)點，而在控制過程的后期階段又具有PID調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢。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)機和泵運轉(zhuǎn)的時間。模糊推理過程為雙輸入三輸出系統(tǒng)。兩個輸入分別為系統(tǒng)誤差e以及誤差的變化率ec，而輸出則為PID調(diào)節(jié)器的三個控制參數(shù)Kp、Ki和Kd。
??? 模糊邏輯控制器的工作過程可以描述為：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。最后精確化計算得到精確的控制值去控制被控制對象。描述輸入變量e和ec以及輸出變量Kp、Ki和Kd的語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(負大)，NM(負中)，NS(負小)，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)驗和實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這三個參數(shù)對系統(tǒng)的影響情況，結(jié)合經(jīng)驗及對系統(tǒng)響應(yīng)過程的掌握，采用理論分析加實驗“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，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，為繼續(xù)消除偏差，并防止超調(diào)過大，產(chǎn)生振蕩，Kp值要減小，Ki取小值；在偏差很小時，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。
??? (2)當(dāng)e和ec同號時，被控量是朝著偏離給定值的方向變化，而當(dāng)e和ec異號時，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，反號的比例作用阻礙積分作用，避免積分超調(diào)及隨之帶來的振蕩，有利于控制；而當(dāng)被控量遠未接近給定值并向給定值變化時，則由于這兩項反向，將會減慢控制過程。在偏差e較大，偏差變化ec與偏差e異號時，Kp值取零或負值，以加快控制的動態(tài)過程。
??? (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)微分作用類似于人的預(yù)見性，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)的動作速度，減小調(diào)整時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，在e較大時，Kd取零，實際為Ki控制；在e較小時，Kd取一正值，實行PID控制。
??? 由于模糊控制器輸出是一個模糊集合，它無法對精確的模擬或數(shù)字系統(tǒng)進行控制。因此，必須進行精確化計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)表示每個元素對應(yīng)的隸屬度。
5 系統(tǒng)仿真
??? 用MATLAB中的Simulink和Fuzzy工具箱，對控制對象進行仿真研究，通過對系統(tǒng)采用不同的控制策略，得出它們各自的仿真結(jié)果，然后進行分析比較。
??? 設(shè)控制對象的傳遞函數(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；積分時間常數(shù)Ki=0.49×Tr=37.24；微分時間常數(shù)Kd=0.14×Tr=10.36；室溫范圍為25℃～27℃，達到調(diào)節(jié)時間短、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)曲線來看，采用模糊PID的控制調(diào)節(jié)時間減小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度增加，在抗干擾能力和對象參數(shù)變化時的適應(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控制具有更好的動態(tài)特性和穩(wěn)定性。
??? 針對當(dāng)前空調(diào)制冷主要靠壓縮機的運轉(zhuǎn)，利用氟利昂兩態(tài)的變化吸收熱量來降溫進而消耗大量的電能這一缺點，本文設(shè)計了一種利用冬季室外冷源，基于模糊PID算法的移動基站溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用飛思卡爾(Freescale)S12型微處理器為控制核心實現(xiàn)了機房溫度、濕度的實時自動控制。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，又能滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性，達到有效地節(jié)能的作用。
??? 該控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定、智能化、實時監(jiān)測、溫度控制精度高，突出的節(jié)能效果必將在未來的市場發(fā)揮卓越的作用。
參考文獻
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