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中央空调系统建模及其嵌入式控制器的设计

作　者: 姚培君
导　师: 方建安
学　校: 东华大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 模糊免疫PID 嵌入式 STM32 HVAC 控制器
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

中央暖通空调系统用于满足生产或生活的需要。由于生产或者生活中时时刻刻都有不同的发热源及冷却系统使温度维持在一定的范围之内,暖通空调系统的电子智能自动控制系统的设计是建立在维护系统正常运行的基础上的,本质上是一种非稳态的动态设计,这就使得暖通空调系统设计和暖通空调控制系统设计的一定程度的不匹配。因此需要一种相对先进的控制算法来进行实时的控制。免疫遗传算法又称免疫算法,是受生物免疫系统原理的启发,在遗传算法的基本框架上,结合免疫系统的特殊信息处理机制发展起来的一种新型的优化算法。其可有效的改善未成熟收敛缺陷,显著提高了全局和局部搜索能力。将免疫算法应用于PID参数整定技术,明显的加强了PID参数整定能力,提高了PID控制的效率,对于工业控制具有一定的现实意义。本文首先建立中央暖通空调系统的模型,通过模糊免疫的方法对HVAC系统进行P、I、D参数整定,并在Matlab进行软件仿真,以体现这种算法的优越性；然后在基于ARM (Cortex-M3)的硬件平台上,借助MDK集成开发环境及RTX实时操作系统,实现这种控制算法,设计出一种基于模糊免疫PID算法的HVAC嵌入式控制器,以达到对于具有非线性、滞后大、惯性大、多干扰特性中央空调系统实现良好的控制。论文的主要研究内容和创新点如下：(1)模糊免疫PID控制算法在中央空调系统中的应用研究暖通空调的控制普遍采用PI或PID控制方法,而其中P、I、D的参数的整定问题是关键的课题。根据生物免疫机理,免疫算法应运而生,而将免疫算法和模糊算法相结合,应用到传统的PID控制方法中,便是模糊免疫PID算法。这种算法具有更好的控制效果。本章首先建立非线性、滞后大、惯性大、多干扰特性的中央暖通空调系统的控制模型,然后将模糊免疫进行P、I、D参数的整定的方法应用到中央空调系统的控制中,通过Matlab仿真,发现其控制效果具有很好的改良。(2) HVAC嵌入式控制器的硬件设计ARM公司是全球领先的半导体知识产权(IP)提供商,并因此在数字电子产品的开发中处于核心地位。ARM CortexTM-M3处理器具有出色的计算性能和对事件的卓越系统响应,低动态和静态功率,高性能低成本的特点。STM32F103系列产品则是基于CortexTM-M3核,由著名半导体厂商ST推出的SOC芯片。该芯片主频72MHz,集成ADC、DAC、UART、I2C等外设,非常适合作为HVAC系统的主控芯片。我们基于STM32F103RBT6设计了一个HVAC嵌入式控制器,包括MCU的最小系统；信号的采集电路：通信电路；LCD的人机界面电路；控制输出电路：数据存储电路等主要部分,并在此硬件电路上进行模糊免疫PID算法的软件实现。(3) HVAC嵌入式控制器的软件设计在STM32F103RBT6的硬件电路上,利用ARM公司推出的MDK开发环境,使用了工业控制领域得到广泛应用的RTX实时操作系统,将模糊免疫算法在中央空调系统中的应用研究成果软件实现,设计出基于模糊免疫PID算法的中央暖通空调的嵌入式控制器。该嵌入式控制器由TFT 1.6寸真彩的液晶显示屏配合按键组成的人机交互界面；支持USB、CAN、串口等多种通信方式；具有实时时钟、历史记录、信号采集、控制输出、蜂鸣报警等软件功能。

中央空调系统建模及其嵌入式控制器的设计

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