基于ARM7 SoC芯片的空調節能多工況分區及專家控制系統的實現

空調技術對空氣的處理過程具有很強的季節性，一年中至少可分為冬季、過渡季和夏季三個季節。由于季節不同，工況不同，空調過程也不同。本文介紹了以ARM7 SoC為核心構成多功能現場控制器，運行uClinux嵌入式操作系統，實現任務調度。其目的是為了使空調系統的運行與調節在保證滿足功能指標(如舒適度)的情況下，盡量節約能源和安全運行。空調微機控制系統結構如圖1所示。

1? 系統硬件結構
　　系統硬件結構如圖2所示。圖中，微控制器采用AT91M55800A系列的ARM7 SoC芯片；I/O接口用來連接各種外部報警信號、限位開關和風機開關命令等；A/D接口用來連接溫、濕度傳感器的測量信號；D/A接口用來連接風閥開度信號等；顯示器及鍵盤是人機接口界面。

2? 多工況分區的實現
2.1 多工況分區的劃分
　　多工況分區是空調節能優化控制的關鍵技術之一。在滿足使用要求的前提下，使空調系統運行在最佳節能工況是工況分區的目的。怎樣使工況合理分區并使系統自動運行在最佳工況，則是基于單片機的空調控制器實現節能優化的主要任務。
　　節能分區由6個主體工況和2個附加工況(1個算法工況、1個啟停工況)組成。6個主體工況對應節能多工況分區的6大分區；當某個主體工況需要算法調節時，調用算法工況；當需要啟動機組或停止運行時，則調用啟停工況。
2.2 主體工況
　　主體6個工況是節能多工況簡化分區的主要工況。全年連續運行的舒適性空調大部分時間都運行在此工況。所以對其劃分的正確與否，不僅關系到系統能否正確調節，而且關系到系統能否可靠運行。主體工程全年劃分為6大區：1區、2區、3區、4區、5區、6區，分別對應冬季、冬春、過渡季1、過渡季2、夏秋、夏季，如表1所示。

　　各大工況區的設計原則是：(1)盡量節能。(2)便于控制。集中式空調需要調節的主要參數為溫度和濕度。所消耗的能源主要來自二方面：一是用來調節溫濕度的冷源和熱源(如熱水、冷水和熱蒸汽等)；二是用來輸送空氣的傳輸設備(如風機)的能源。因此各大工況所設計的節能措施也主要是從這二方面來考慮。首先根據工況需要選擇最佳的調節手段(本文選擇智能控制算法)從而使空氣調節過程達到最佳。
2.3 算法工況
　　算法工況是一個附加工況，是在每一主體工況內需要算法調節時的附加工況，以進一步節能。其處理過程：當調節誤差ek滿足|ek|＞m時，風機高速運行，以使冷熱交換充分，加快溫濕度參數的調節過程，其調節量由算法控制；當|ek|≤m時，風機低速運行(風機低速運行可以節省傳輸系統的能量)，算法停止調節，系統處于保持狀態，使系統穩定在舒適度要求的范圍內。
3? 系統的實現
　　由簡化的節能多工況分區構成的專家系統也是簡化的基本系統，它包含4項基本內容：知識庫、數據庫、規則集和推理機構。在基于單片機的智能控制器中設有數據庫空間，它存儲根據室外氣象條件及專家經驗預先給定的數據以及運行過程中實時獲得的數據。知識庫的建立采用產生式規則，即：IF CONDITION THEN OPERATION的規則來建立所需的分區規則、經驗知識以及運行過程中要求特殊處理的規則。下面僅就主體工況對控制器中的推理機構和節能多工況簡化分區規則集加以說明。推理系統結構框圖如圖3所示。

3.1 推理機構
????? 根據我國各地全年室外氣象條件的變化規律以及空調專家的經驗，確定以下推理條件（邊界條件）：

　　控制器記憶及判斷這些狀態，并根據這些狀態和其邏輯組合，從知識庫中提取不同的分區規則進行多工況節能簡化分區并確定系統當前應處的工況。
3.2 分區規則集
　　根據前述節能多工況分區的思想及上述說明，可以總結出下述6條分區規則：
　

?　　由于本簡化分區規則比較少，搜索空間較小，具體軟件實現時可以采用前向推理的方法，即從前向后逐條進行搜索。用單片計算機實現，非常方便可靠。
　　本文研制的空調控制器與某空調器廠ZK型系列空調機組配套，并裝配節能多工況分區專家系統軟件，構成了節能型全自動空調微機控制系統。實際運行表明：該系統比傳統系統節能30%，并可做到無人管理和全年全自動運行，能保證處于最佳節能狀態。整個系統的調試在JEDIview開發平臺下完成，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。