基于ARM7 SoC芯片的空調(diào)節(jié)能多工況分區(qū)及專家控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

空調(diào)技術(shù)對(duì)空氣的處理過程具有很強(qiáng)的季節(jié)性，一年中至少可分為冬季、過渡季和夏季三個(gè)季節(jié)。由于季節(jié)不同，工況不同，空調(diào)過程也不同。本文介紹了以ARM7 SoC為核心構(gòu)成多功能現(xiàn)場(chǎng)控制器，運(yùn)行uClinux嵌入式操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。其目的是為了使空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行與調(diào)節(jié)在保證滿足功能指標(biāo)(如舒適度)的情況下，盡量節(jié)約能源和安全運(yùn)行?？照{(diào)微機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1  系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，微控制器采用AT91M55800A系列的ARM7 SoC芯片；I/O接口用來(lái)連接各種外部報(bào)警信號(hào)、限位開關(guān)和風(fēng)機(jī)開關(guān)命令等；A/D接口用來(lái)連接溫、濕度傳感器的測(cè)量信號(hào)；D/A接口用來(lái)連接風(fēng)閥開度信號(hào)等；顯示器及鍵盤是人機(jī)接口界面。

2  多工況分區(qū)的實(shí)現(xiàn)
2.1 多工況分區(qū)的劃分
　　多工況分區(qū)是空調(diào)節(jié)能優(yōu)化控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。在滿足使用要求的前提下，使空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行在最佳節(jié)能工況是工況分區(qū)的目的。怎樣使工況合理分區(qū)并使系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行在最佳工況，則是基于單片機(jī)的空調(diào)控制器實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化的主要任務(wù)。
　　節(jié)能分區(qū)由6個(gè)主體工況和2個(gè)附加工況(1個(gè)算法工況、1個(gè)啟停工況)組成。6個(gè)主體工況對(duì)應(yīng)節(jié)能多工況分區(qū)的6大分區(qū)；當(dāng)某個(gè)主體工況需要算法調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)用算法工況；當(dāng)需要啟動(dòng)機(jī)組或停止運(yùn)行時(shí)，則調(diào)用啟停工況。
2.2 主體工況
　　主體6個(gè)工況是節(jié)能多工況簡(jiǎn)化分區(qū)的主要工況。全年連續(xù)運(yùn)行的舒適性空調(diào)大部分時(shí)間都運(yùn)行在此工況。所以對(duì)其劃分的正確與否，不僅關(guān)系到系統(tǒng)能否正確調(diào)節(jié)，而且關(guān)系到系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行。主體工程全年劃分為6大區(qū)：1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)、5區(qū)、6區(qū)，分別對(duì)應(yīng)冬季、冬春、過渡季1、過渡季2、夏秋、夏季，如表1所示。

　　[!--empirenews.page--]各大工況區(qū)的設(shè)計(jì)原則是：(1)盡量節(jié)能。(2)便于控制。集中式空調(diào)需要調(diào)節(jié)的主要參數(shù)為溫度和濕度。所消耗的能源主要來(lái)自二方面：一是用來(lái)調(diào)節(jié)溫濕度的冷源和熱源(如熱水、冷水和熱蒸汽等)；二是用來(lái)輸送空氣的傳輸設(shè)備(如風(fēng)機(jī))的能源。因此各大工況所設(shè)計(jì)的節(jié)能措施也主要是從這二方面來(lái)考慮。首先根據(jù)工況需要選擇最佳的調(diào)節(jié)手段(本文選擇智能控制算法)從而使空氣調(diào)節(jié)過程達(dá)到最佳。
2.3 算法工況
　　算法工況是一個(gè)附加工況，是在每一主體工況內(nèi)需要算法調(diào)節(jié)時(shí)的附加工況，以進(jìn)一步節(jié)能。其處理過程：當(dāng)調(diào)節(jié)誤差ek滿足|ek|＞m時(shí)，風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行，以使冷熱交換充分，加快溫濕度參數(shù)的調(diào)節(jié)過程，其調(diào)節(jié)量由算法控制；當(dāng)|ek|≤m時(shí)，風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行(風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行可以節(jié)省傳輸系統(tǒng)的能量)，算法停止調(diào)節(jié)，系統(tǒng)處于保持狀態(tài)，使系統(tǒng)穩(wěn)定在舒適度要求的范圍內(nèi)。
3  系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
　　由簡(jiǎn)化的節(jié)能多工況分區(qū)構(gòu)成的專家系統(tǒng)也是簡(jiǎn)化的基本系統(tǒng)，它包含4項(xiàng)基本內(nèi)容：知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則集和推理機(jī)構(gòu)。在基于單片機(jī)的智能控制器中設(shè)有數(shù)據(jù)庫(kù)空間，它存儲(chǔ)根據(jù)室外氣象條件及專家經(jīng)驗(yàn)預(yù)先給定的數(shù)據(jù)以及運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)獲得的數(shù)據(jù)。知識(shí)庫(kù)的建立采用產(chǎn)生式規(guī)則，即：IF CONDITION THEN OPERATION的規(guī)則來(lái)建立所需的分區(qū)規(guī)則、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)以及運(yùn)行過程中要求特殊處理的規(guī)則。下面僅就主體工況對(duì)控制器中的推理機(jī)構(gòu)和節(jié)能多工況簡(jiǎn)化分區(qū)規(guī)則集加以說(shuō)明。推理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3.1 推理機(jī)構(gòu)
      根據(jù)我國(guó)各地全年室外氣象條件的變化規(guī)律以及空調(diào)專家的經(jīng)驗(yàn)，確定以下推理?xiàng)l件（邊界條件）：

　　控制器記憶及判斷這些狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)和其邏輯組合，從知識(shí)庫(kù)中提取不同的分區(qū)規(guī)則進(jìn)行多工況節(jié)能簡(jiǎn)化分區(qū)并確定系統(tǒng)當(dāng)前應(yīng)處的工況。
3.2 分區(qū)規(guī)則集
　　根據(jù)前述節(jié)能多工況分區(qū)的思想及上述說(shuō)明，可以總結(jié)出下述6條分區(qū)規(guī)則：
　

 　　由于本簡(jiǎn)化分區(qū)規(guī)則比較少，搜索空間較小，具體軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)可以采用前向推理的方法，即從前向后逐條進(jìn)行搜索。用單片計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，非常方便可靠。
　　本文研制的空調(diào)控制器與某空調(diào)器廠ZK型系列空調(diào)機(jī)組配套，并裝配節(jié)能多工況分區(qū)專家系統(tǒng)軟件，構(gòu)成了節(jié)能型全自動(dòng)空調(diào)微機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)際運(yùn)行表明：該系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)能30%，并可做到無(wú)人管理和全年全自動(dòng)運(yùn)行，能保證處于最佳節(jié)能狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試在JEDIview開發(fā)平臺(tái)下完成，特別是軟件效能分析儀為解決程序代碼瓶頸提供了很好的工具。