基于WLAN與單神經(jīng)元自適應(yīng)PID的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

張 博，王志剛，高璽廣，徐 莉

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

近幾年來，智能建筑[1]（Intelligence Building）在我國得到了很大的發(fā)展。在智能建筑中，樓宇自控系統(tǒng)（Building Automation System，BAS）占有主導(dǎo)地位，而在樓宇自控系統(tǒng)中空調(diào)控制系統(tǒng)扮演著極其重要的角色。本文針對目前空調(diào)系統(tǒng)中存在的布線施工周期長、有線網(wǎng)絡(luò)缺少靈活性且人力物力資源消耗大等問題，結(jié)合實際課題，提出了WLAN技術(shù)代替原有的RS485總線及Lonworks[2]總線等總線方案，將上位機和現(xiàn)場控制系統(tǒng)構(gòu)成一個通過無線收發(fā)模塊傳送信息的集散系統(tǒng)，使之減少了布線的環(huán)節(jié)，增加了系統(tǒng)的靈活性，降低了安裝費用，并獲得了系統(tǒng)重新布置時的可移動性。針對溫濕度大滯后性的特性以及目前傳統(tǒng)PID控制難以滿足快速性、無超調(diào)、無靜差、抗干擾和魯棒性[3]強等多方面的要求，運用了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法[4]，改善系統(tǒng)的控制性能。

1 空調(diào)系統(tǒng)控制原理

控制原理：通過新、回風(fēng)道內(nèi)設(shè)置的溫濕度傳感器分別檢測新風(fēng)、回風(fēng)的溫濕度，經(jīng)過單元控制器的計算比較，確定系統(tǒng)空氣處理機的運行工況，并輸出相應(yīng)的信號控制新/回風(fēng)及排風(fēng)風(fēng)閥的開度比例，并調(diào)節(jié)新回風(fēng)混合比，達(dá)到節(jié)能的目的。在風(fēng)道內(nèi)設(shè)有防凍開關(guān)，當(dāng)風(fēng)溫低于設(shè)定溫度時，切斷風(fēng)機電路停止風(fēng)機運行，并通過與新風(fēng)入口風(fēng)閥執(zhí)行器的連鎖，關(guān)閉新風(fēng)閥。同時由現(xiàn)場控制器輸出報警信號[5]。本文主要研究的是對溫濕度的控制問題。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)包括3大部分：主機（含數(shù)據(jù)庫），現(xiàn)場控制部分和WLAN控制部分，其中硬件設(shè)計包括WLAN控制模塊的設(shè)計和現(xiàn)場控制器及其外圍電路設(shè)計兩部分。WLAN控制模塊是該系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)主機與控制器之間信息的傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于WLAN技術(shù)的空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of air-conditioning system based on WLAN technology

現(xiàn)場控制部分由帶串口（RS232或RS485接口）的控制器及其外圍電路、溫濕度傳感器等組成，從傳感器測得的相應(yīng)數(shù)值將定期發(fā)送到無線控制模塊交主控機處理?？刂破鞑捎肞ID等算法對空調(diào)末端組各種閥門進(jìn)行控制，并負(fù)責(zé)各采樣點的溫濕度采樣值的顯示與上傳。

現(xiàn)場控制器的設(shè)計主要包括：AT89S52單片機、輸入、輸出電路，4×4點陣鍵盤電路，存儲器擴(kuò)展電路，字符液晶或數(shù)碼管顯示電路，掉電保護(hù)電路及上下限保護(hù)電路等。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場控制器的設(shè)計框圖Fig.2 Design block diagram of field controller

WLAN控制模塊的設(shè)計：系統(tǒng)中采用ADAM4550無線調(diào)制解調(diào)模塊作為中間數(shù)據(jù)采集器，ADAM-4550是一款新型直序擴(kuò)頻無線調(diào)制解調(diào)器。它在 2.4 GHz ISM頻段上工作，無須申請執(zhí)照。它提供了可用于通訊的 RS-232和RS-485接口，通訊速率可達(dá)到 115.2 kbps。它使用1 Mbps的廣播速率以半雙工方式工作。調(diào)制解調(diào)器具有 100 mW的輸出功率。使用其背面的拉桿天線時，可以有150 m的有效傳輸距離。當(dāng)使用研華提供的高增益外接支桿式天線時，它的通訊范圍有可能超過 20 km（開闊空間）。

3 軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，軟件設(shè)計分為兩部分：

現(xiàn)場控制器的軟件設(shè)計主要由數(shù)據(jù)采集程序、初始化程序、算法控制運算程序、參數(shù)發(fā)送及顯示程序、故障診斷報警程序等組成。軟件功能為實時采集溫濕度、設(shè)備報警、風(fēng)機的工作狀態(tài)等模擬、數(shù)字信號，根據(jù)控制算法通過控制新回風(fēng)閥及冷熱水的開度大小進(jìn)行溫濕度的控制。

主機控制軟件包括數(shù)據(jù)庫（用DELPHI編程[6]），溫濕度查詢、接收火盜警信號，然后進(jìn)行相應(yīng)處理后給下位機即現(xiàn)場控制器發(fā)出指令，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔和歸表以便查詢調(diào)用。

4 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法控制

單神經(jīng)元作為構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單位，具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，而且結(jié)構(gòu)簡單，易于計算。傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器也具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便和參數(shù)整定與工程指標(biāo)聯(lián)系密切等特點。將兩者結(jié)合，可以在一定程度上解決傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器對一些參數(shù)時變系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的不足。

常規(guī)PID控制器的控制算法式為

式（1）中為實際值與給定值的偏差，e（t）=yr-y；Kp為比例增益；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。當(dāng)采用周期To較短時，離散化后，可得常規(guī)PID控制的增量型算式為：

式（2）中ΔU（k）——第K次控制器輸出的增量；

ΔE（k）——偏差的一次差分，ΔE（k）=E（k）-E（k-1）；

Δ2E（k）——偏差的二次差分，Δ2E（k）=E（k）-2E（k-1）+E（k-2）。

結(jié)合以上的常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的控制機理，一個基于單神經(jīng)元模型的自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of single neuron self-adaptive control

圖中狀態(tài)變換器的輸入為系統(tǒng)的輸出偏差信號e（k），yr為設(shè)定輸入，y為過程的實際輸出，ri為性能指標(biāo)或遞進(jìn)信號，K為神經(jīng)元比例系數(shù)，K＞0。該單神經(jīng)元控制器有3個狀態(tài)變量x1（k）、x2（k）、x3（k），這里分別取為：

xi（k）（i=1，2，3）的這種取法有明顯的物理意義：x1（k）反映了系數(shù)誤差（相當(dāng)于積分項），x2（k）反映了系統(tǒng)誤差的一階差分（相當(dāng)于比例項），x3（k）反映了系統(tǒng)誤差的二階差分（相當(dāng)于微分項）。本文的控制策略如下：

式中u（k）——第k次采樣后，神經(jīng)元的控制輸出；wi（k）——對應(yīng)于xi（k）的加權(quán)系數(shù)。

將式（3）代入式（4），得：

比較式（2）和式（5），得到

Kw1（k）=分別稱為該神經(jīng)元控制器的積分系數(shù)、比例系數(shù)、微分系數(shù)。

單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器是通過對加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實現(xiàn)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能的?？紤]到加權(quán)系數(shù)應(yīng)和神經(jīng)元的輸入、輸出和輸出偏差三者的相關(guān)函數(shù)有關(guān)，因此加權(quán)系數(shù)的調(diào)整采用有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則[7]，即：

式（6）、（7）中ri（k）——遞進(jìn)信號或?qū)W習(xí)信號，ri（k）隨過程進(jìn)行逐漸衰減；z（k）——輸出誤差信號，z（k）=yr（k）-y（k）=e（k）；ηi——學(xué)習(xí)速率，ηi＞0。

可以證明當(dāng)偏差 e（k）充分小時，wi（k）可收斂到某一穩(wěn)定值w*i，且與期望值的偏差在允許范圍內(nèi)[8]。

為保證上述控制學(xué)習(xí)算法的收斂性和魯棒性，對上述學(xué)習(xí)算法進(jìn)行規(guī)范化處理，得：

式（8）中 x1（k）=e（k），x2（k）=Δe（k），x3（k）=Δ2e（k）=e（k）-2e（k-1）+e（k-2）。

ηI，ηP，ηD——分別為積分、比例、微分的學(xué)習(xí)速率。 由式（8）可看出，單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器是依據(jù)學(xué)習(xí)信號所反映的誤差與環(huán)境的變化來對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，并產(chǎn)生自適應(yīng)控制作用，這充分體現(xiàn)了其強魯棒性。

5 結(jié)束語

根據(jù)以上設(shè)計的空調(diào)系統(tǒng)，將WLAN技術(shù)與單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制結(jié)合起來，通過工控機實現(xiàn)實時監(jiān)控，控制效果良好。選擇WLAN技術(shù)不但減少了布線所需的人力物力的消耗，也增加了系統(tǒng)的靈活性、移動性。同時加上單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制，使系統(tǒng)具有無靜差、無超調(diào)、魯棒性好等優(yōu)點。

[1]付曉峰，李楠，付興武.Lonworks技術(shù)與模糊PID控制相結(jié)合應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)的研究[J].電氣傳動自動化，2005，27（2）:23-26.FU Xiao-feng，LI Nan，F(xiàn)U Xing-wu.Research on combination of Lonworks technology and fuzzy-PID controller in the central air-conditioning system[J].Electric Drive Automation，2005， 27（2）:23-26.

[2]楊育紅.Lon網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

[3]劉利，馬勁松，李黎.基于神經(jīng)元的模糊自適應(yīng)PID控制及其應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2003， 22（10）:7-9.LIU Li，MA Jin-song，LI Li.Neuron-based fuzzy selfadaptation PID control and its application[J].Control Theary and Applications，2003，22（10）:7-9.

[4]舒迪前.自適應(yīng)控制[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，1993.

[5]李文然.建筑電器智能技術(shù)[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，1998.2.

[6]張瑞，廉保旺.Delphi環(huán)境下批量數(shù)據(jù)串口通信的直接實現(xiàn)方法[J].計算機工程與技術(shù)，2005， 26（9）:2527-2529.ZHANGRui，LIAN Bao-wang.Implementation ofmassivedata serial port communication in Delphi[J].Computer Engineering and Design ，2005 ，26（9）:2527-2529.

[7]胡守仁.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)論[M].長沙:國防科技大學(xué)出版社，1993.

[8]韓力群.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、設(shè)計及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.