开题报告-中央空调末端控制器设计.doc

本科生毕业论文(设计)开题报告书题 目 中央空调末端控制器设计学生姓名 学 号 专业班级 自动化07101班 指导老师 2011年 3月 5日论文题目中央空调末端控制器设计课题目的、意义及相关研究动态：目 的： 综合运用所学知识，如模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理、微机原理、单片机原理与应用，设计一个中央空调末端控制器。 技术指标1） 温湿度自动调节功能，空调可调温度控制在2030，误差控制在1以内。相对湿度控制50%70%RH。2）空调的工作模式为制冷、制热和待机三种模式。3）通过外设电子开关可以设置温度。4）LED实时显示系统工作模式及系统设定温度。意 义： 中央空调控制系统的设计对自动化专业的学生而言是与时俱进、涵盖知识面广的课题。本课题研究的主要内容是学习集中式空调系统的各个环节，掌握空调系统原理、控制要求及性能指标；通过热力学和传热学知识，利用机理法创建空调房间数学模型，为控制方案的确立和控制参数调整奠定基础；利用单回路闭环控制系统实现空调房间温度控制，并用工程整定法整定PID控制器参数以达到良好效果；利用仿真软件仿真系统有各种干扰信号时的响应特性；应用智能控制知识设计模糊控制器，并用仿真软件对控制效果进行仿真研究。空调系统是现代建筑中的主要设备系统，是楼宇自动控制系统的主要监控对象之一。空调系统耗能在建筑总能耗中占40%左右，通过楼宇自动控制系统实现其节能运行，意义重大。空调控制系统是要对室内温湿度等参数进行控制，使之很好地跟踪设定值，同时尽可能减少能源消耗，达到节能的目的。而其对象是不可预知的，如人员的多少、设备的发热量，空调系统又具有很大的滞后特性，系统中又有很多的检测、控制点。空调系统在运行过程中，控制系统要对其进行实时调控，对空调系统的控制系统性能要求较高。所以要达到很好的控制效果，又要节能，就必须设计一个良好的控制系统。目前空调系统应用越来越广泛，几乎所有的新建建筑物都有空调系统，人们对空调舒适度的要求越来越高，同时，由于空调耗能大，节能问题日益突出，所以研究空调系统的控制具有广泛的意义。对不同的工程，空调系统虽然有所不同，控制方案也会有所不同，但其基本的分析方法、原理是相同的。故本次设计对于类似项目还具有普遍意义。研究动态： 良好的控制器的设计和控制参数的调节有赖于系统的数学模型，所以近年来国内外学者都热衷于建立空调系统的模型。早在1985年美国学者ClarkDR等就已经在ASHRAE上发表文章，建立了送风管道的数学模型。1900年Underwood和Crawford合作，依据非线性控制理论的发展，在大量实验的基础上提出了水加热器的数学模型。同一时期，Maxwell也在实验的基础上获得了冷却器的模型。由于国内外建筑风格、空气参数、空气质量及室内空气控制的指标要求不同，所以国外对空调系统建立的数学模型不完全适合我国的空调系统，但是他们建模的一些方法及思想对我们研究空调系统很有价值。国内的许多学者也做了大量的的空调建模方面工作。香港理工大学王盛卫等在1999年通过分析空调系统各个环节的热力学特性，用RC模型代替空调系统各个环节的模型，此模型便于实验分析。南京建筑工程学院的王建明工程师在2002年通过对空调房间的热力学特性分析给出了变风量系统空调房间的数学模型。随着控制系统的发展，人们开始关注基于现代智能控制理论的各环节模型，建立了基于人工神经网络的表冷器模型。同济大学孟华老师在2004年从热力学和传热传质的基本原理出发，以TANSYS为仿真平台，建立了表冷器的数学模型。伴随着计算机控制技术的发展，世界上HVAC-供热通风与空调工程（Heating Ventilation and Air Conditioning）系统的控制从五十年代就开始采用气动仪表控制系统，六十年代改进为电动单元组合仪表，七十年代采用小型专用微型计算机进行集中式控制系统，直到1984年。美国哈特福德市第一幢采用微型计算机集散式控制系统大厦的出现，标志着智能建筑时代的开始。集散式（即集中管理，分散控制）自控系统，目前技术趋于成熟，主要技术特征是采用了DDC（Direct Digital Control）。作为控制系统中的主要单元控制器，目前国内外主要采用的是常规PID控制，因其控制简单、实用、成本低、技术成熟、易于实现、参数调整方便，并且具有一定的鲁棒性-系统的健壮性，在空气调节中的应用比较广泛。1982年Shavit和Brandt等对由控制阀门和执行器实现温度和湿度控制的不同特性做了研究。1984年Brandt和Shavit对PID控制的废弃温度控制系统的单位阶跃响应做了仿真研究。1995年Kalman等人将PID控制用于压缩机和蒸发器的电极速度调节，以实现制冷去湿，并建立了系统的数学模型以及PID算法的三个参数的解析整定方法，同时给出了系统的两种控制策略。实际上，现在大多数空调系统都是采用PID控制。虽然PID控制在空气调节中广泛使用，但是由于PID算法只有在系统模型参数不随时间变化的情况下才取得理想效果。当一个已经调好参数的PID控制器被应用于另外一个具有不同模型参数的系统时。系统性能就会变差，甚至不稳定。再加上空调系统的高度非线性以及温湿度之间的强耦合关系，研究者们又转向其他高级控制方法，如最优控制、自适应控制、模糊控制及神经网络控制。智能控制与传统的PID控制相比，它不完全或不依赖于被控对象的精确数学模型，同时具有自寻优特点，并且在整个控制过程中，计算机在线获取信息和实时处理并给出控制决策，通过不断的优化参数和寻找控制器的最佳结构形式，以获取整体最优控制性能。由于空调系统是一个大滞后、多干扰、大惯性的系统，获取它的精确模型很困难，所以智能控制器成为中央空调系统中研究的热点。1985年日本“三菱重工”就开发出了以温度恒定为目标的模糊变频空调控制器。香港的Albert.P.SO等人于1994年开发出空调机组的热舒适性模糊逻辑控制器。同年，香港的S.Huang和美国的Nelso对基于规则的模糊逻辑控制在空调系统的应用做了实验研究，给出了建立和校正模糊控制规则的策略，并分析了控制器的多阶继电器特性。1999年Kasahara等设计了自适应PID控制器，此控制器可以应用于被控模型不太精确的场所。Ghiaus则证明了热交换过程这一非线性过程可以用模糊控制来较好的实现，并且可以克服PID控制过程出现的超调。国内学者对智能控制在空调中的应用研究成果也有很多。吴爱国等研究了参数自寻优模糊控制器在中央空调温度控制系统中的应用，该控制器在综合了输入的比例因子和输出的比例因子对系统的影响后，采用了在输入的比例因子后加权因子的方法，优化了控制效果。同时很多文献也给出了广义预测控制、神经网络控制在空调系统中的应用。综上可知，智能控制是今后控制界发展的必然趋势，随着计算机技术和智能控制理论的发展，智能PID控制必将在空调系统中得到广泛的应用。课题的主要内容、创新之处：随着科学技术的迅猛发展，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、系统稳定性与自适应能力的要求越来越高，被控对象或过程的非线性、时变性、多参数点的强烈耦合、较大的随机挠动、各种不确定性以及现场测试手段不完善等，使难以按数学方法建立被控对象的精确模型的情况。对于这些系统来说采用传统的方法包括基于现代控制理论的方法往往不如一个有实践经验的操作人员的手动制作效果好，而模糊控制理论正是以人的经验为重要组成部分。这就使模糊控制在一般情况下比传统控制方法更有效、更安全。将模糊控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重的滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。模糊控制是基于模糊数学上发展起来的一门新的控制科学。其运算过程中有很多都要用到矩阵运算，但运用Matlab可以很好的完成运算任务。这样一来模糊控制就已经很简化了，甚至比一般的PID运算还更简单。运用一般的处理机，如单片机就能很好的完成任务。研究方法、设计方案或论文撰写提纲：研究方法：1) 对中央空调控制器的设计应用情况进行调查研究、收集相关资料。 2）对温湿度控制系统应用情况进行考察 3）学习模糊控制理论，以及了解它在中央空调控制器的应用情况 4）收集并整理相关的论文和文献，并得出总结，做出最佳的设计方案。设计方案：以单片机、温湿度传感器、LED显示器、按键、电机，湿度调节装置，设计出一个中央空调末端控制。论文撰写提纲 1）设计目的、摘要、关键词2）总体设计3）硬件设计4）软件设计5）参考文献完成期限和预期进度：2010.12.152011.2.28 毕业实习开题、方案确定与论证，按照要求写出相应的开题报告与调研报告2011.3.12011.3.31 毕业设计论文构思，资料整理2011.4.12011.4.15 毕业论文初稿2011.4.12011.5.31 毕业论文正稿2011.5.142011.5.15 参加毕业答辩主要参考资料：1) 单片机原理及其应用曾屹2) 微机控制技术戴永3