??? 摘 要：針對移動基站溫度控制消耗大量能源的弊端，利用冬季室外冷源，通過智能控制水泵、風機的運轉，將室內的熱量由乙二醇液體的循環傳達到室外冷凝器，再由室外冷凝器將乙二醇液體的熱量散發出去，達到降溫的目的。保證機房在恒溫、恒濕和潔凈的條件下節約能源。由于系統存在很大程度的非線性、大滯后和參數時變性，設計中結合模糊控制和PID算法的優點，采用模糊PID控制算法，既保證了溫度調節的快速性，又滿足了系統的穩定性，并且系統穩態誤差很小。
??? 關鍵詞：溫度控制；節能；模糊控制；模糊PID控制
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??? 空調用電約占機房總用電量的50%左右，因而存在較大的節能潛力。科學地降低空調用電、減少資源浪費成為節能的主要手段[1]。
??? 我國北方高緯度地區，10℃以下的時間較長，可達180天以上，有著豐富的可以利用的自然冷源。以哈爾濱市為例，10℃以下的時間可達180天以上，冬季長達半年之久，室外最低氣溫可達-38℃，通常一月份的平均氣溫在-20℃左右。為了克服現有空調制冷系統在冬季不能利用自然冷源的缺點，本文設計了基站專用溫度控制節能系統，該系統能夠利用自然冷源達到降溫節能的目的，同時確保機房內其他設備的安全，投資綜合效益高，節能效果顯著，預計耗電量僅為現有空調全年耗電量的60%～70%，運行成本低且設備運行穩定。
1 系統工作原理
??? 本系統工作原理框圖如圖1所示。系統實際工作流程如下：控制系統通過回風口的溫度傳感器發出信號，當回風溫度高于設備溫度，控制系統發出信號給水泵，水泵開始運轉，室外風機通電，再由室外冷凝器上的溫度傳感器反饋信號，室外冷凝器管溫度高于設置溫度，風機起動，低于設置溫度時，風機停止運轉。當回風口溫度低于設置溫度時，恒溫控制系統發出信號，水泵停止工作，室外風機斷電，以此來保證室內的恒定溫度。當春秋季節，白天室外溫度過高，乙二醇系統不能滿足室內溫度要求，原設置壓縮機系統啟動，來保證室內恒定溫度。如室內溫度低于原設備設定點，壓縮機停止工作，乙二醇系統開始啟動，來保持室內恒定溫度，以達到省電的目的。乙二醇系統室外冷凝管處加裝溫度傳感器，對乙二醇冷凝風機進行控制，以防止冬季乙二醇回液溫度過低。
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2 硬件電路設計
??? 選用飛思卡爾S12型處理器為控制核心設計出單片機小系統(包括電源模塊、鍵盤、顯示、時鐘、串行通信)。電源模塊如圖2所示。溫度、濕度測量和數據采集、處理電路以及風機、水泵的控制電路等系統硬件電路，同時考慮對電機和水泵等交流高壓器件的保護和系統運行狀態(故障)遠程報警電路。
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??? S12具有16位處理能力，速度明顯比89C51快，而目S12有足夠大的程序存儲空間和內部RAM可用，方便了軟件編寫。S12把AD和EEPROM等很多資源都集成到CPU上，使電路的復雜程度降低，可靠性也得以提高。S12具有很好的防程序跑飛的手段。S12內部集成了模糊推理機，方便了算法的研究及應用[2]。
??? 溫度采集電路如圖3所示。采用了DS18B20數字單線智能溫度傳感器，將采集的溫度數據送入控制核心加以處理。DS18B20屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，它具有體積小、接口方便、傳輸距離遠等特點。采用單總線專用技術，無須經過其他變換電路，直接輸出被測溫度值，測溫范圍為-55℃～+125℃，測量分辨率為0.062 5℃，適合本系統的溫度采集。
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??? 時鐘、顯示、串行通信電路如圖4所示。可以實時顯示風機水泵運行情況，獲得直觀監測。RS232串行通信電路可將數據送入PC機進行數據分析并存儲 ；顯示屏采用128×64液晶，顯示室內外溫度、風扇水泵電機的運行情況、時間等信息；鍵盤操作可對各項指標進行控制或改寫[3]。
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??? 另外對水泵和風機控制方面做了缺相、相序錯誤的檢測和保護；有故障報警和遠程監控電路，保證系統安全運行；對強弱電加以隔離，保證控制系統不受干擾[4]。
3 數學模型
??? 控制系統的數學模型的建立基于以下假設：(1)乙二醇在管內作一維逆流流動；(2)只考慮徑向熱量交換不計軸向熱量傳遞；(3)換熱器金屬管壁的導熱熱阻不計；(4)忽略乙二醇在管內的壓降[5]。
??? 根據上述假設物理模型簡化為如圖5所示。
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??? 乙二醇側流動換熱方程包括換熱溫差與流動焓差其計算公式為：
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式中：mr為管中乙二醇儲量；mr為乙二醇的焓；ar為乙二醇側換熱系數；Ta為管外空氣溫度；Ai為冷凝器管內斷面積；Tr為微元斷面管內壁乙二醇液體的溫度。
??? 空氣側流動換熱方程包括換熱溫差與流動焓差其計算公式為：
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式中：ma為管中空氣儲量；ha為空氣焓；ar為空氣側換熱系數。
??? 乙二醇側換熱系數的計算如式(3):
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式中：
為組合物性參數；tk為冷凝溫度；tw為管壁溫度
??? 空氣側換熱系數的計算為如式(4):
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式中：
其中wmax為最大迎風面風速；vf為空氣運動粘度；
其中s2為橫向的管間距；N為排數；deq為當量直徑。
4 控制算法
??? 模糊PID控制器具有模糊控制器所具有的動態特性好和魯棒性好的優點。同時由于模糊PID控制器實質上就是變參數的PID控制器，因此具有PID控制穩態性好的優點，可以克服常規模糊控制器穩態存在靜差的缺陷，即模糊PID控制器在控制過程的前期階段具有模糊控制器的優點，而在控制過程的后期階段又具有PID調節器的優勢。模糊PID控制框圖如圖6所示[6]。
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??? 本系統的輸入量是設定的溫度值，所以這里選擇模糊控制器的輸入量為溫度的偏差e和偏差變化率ec，輸出量為PID參數的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd。而最終輸出為控制風機和泵運轉的時間。模糊推理過程為雙輸入三輸出系統。兩個輸入分別為系統誤差e以及誤差的變化率ec，而輸出則為PID調節器的三個控制參數Kp、Ki和Kd。
??? 模糊邏輯控制器的工作過程可以描述為：首先將模糊控制器的輸入量轉化為模糊量供模糊邏輯決策系統用，模糊邏輯決策器根據控制規則決定的模糊關系R，應用模糊邏輯推理算法得出控制器的模糊輸出控制量。最后精確化計算得到精確的控制值去控制被控制對象。描述輸入變量e和ec以及輸出變量Kp、Ki和Kd的語言集的模糊子集及其論域定義如下：
??? (1) e、ec和Kp的模糊子集為：{NB(負大)，NM(負中)，NS(負小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}；
??? (2) Ki和Kd只取正值，其模糊子集為：{ZO，PS，PM，PB}。
??? 根據經驗和實際情況制定模糊控制表、得到輸入量和輸出量的隸屬函數及其分布如圖7所示。
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??? 為了正確控制輸出量，本文根據Kp、Ki和Kd這三個參數對系統的影響情況，結合經驗及對系統響應過程的掌握，采用理論分析加實驗“試湊”得到模糊PID控制規則，總結歸納如下[7]:
??? (1)在偏差較大時，為盡快消除偏差，提高響應速度，Kp取大值，Ki取零；在偏差較小時，為繼續消除偏差，并防止超調過大，產生振蕩，Kp值要減小，Ki取小值；在偏差很小時，為消除靜差，克服大超調，使系統盡快穩定，Kp值繼續減小，Ki值不變或稍取大一點。
??? (2)當e和ec同號時，被控量是朝著偏離給定值的方向變化，而當e和ec異號時，被控量朝著接近給定值的方向變化。因此，當被控量接近給定值時，反號的比例作用阻礙積分作用，避免積分超調及隨之帶來的振蕩，有利于控制；而當被控量遠未接近給定值并向給定值變化時，則由于這兩項反向，將會減慢控制過程。在偏差e較大，偏差變化ec與偏差e異號時，Kp值取零或負值，以加快控制的動態過程。
??? (3)偏差變化ec的大小表明偏差變化的速率，ec越大，Kp取值越小，Ki取值越大,反之亦然。
??? (4)微分作用類似于人的預見性，它阻止偏差的變化，有助于減小超調，克服振蕩，使系統趨于穩定，加快系統的動作速度，減小調整時間，改善系統的動態性能。因此，在e較大時，Kd取零，實際為Ki控制；在e較小時，Kd取一正值，實行PID控制。
??? 由于模糊控制器輸出是一個模糊集合，它無法對精確的模擬或數字系統進行控制。因此，必須進行精確化計算得出此模糊集中最有代表意義的確定值作為系統的輸出控制，主要方法有：最大隸屬度法、重心法、加權平均法等，本文采用重心法，即加權平均法，記為：
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其中：xi表示論域中的元素；μU1(xi)表示每個元素對應的隸屬度。
5 系統仿真
??? 用MATLAB中的Simulink和Fuzzy工具箱，對控制對象進行仿真研究，通過對系統采用不同的控制策略，得出它們各自的仿真結果，然后進行分析比較。
??? 設控制對象的傳遞函數為:
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??? 設Tmin=100 s；Kr=2.13；Tr=76 s；采樣周期T=0.014×Tr=1.064；比例系數Kp=0.63×Kr=1.341 9；積分時間常數Ki=0.49×Tr=37.24；微分時間常數Kd=0.14×Tr=10.36；室溫范圍為25℃～27℃，達到調節時間短、超調量小且穩態誤差在±1℃內的要求。仿真結果如圖8、9、10所示。
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??? 從階躍響應曲線來看，采用模糊PID的控制調節時間減小，系統的響應速度增加，在抗干擾能力和對象參數變化時的適應性都優于常規的模糊控制和PID控制,系統在設定值范圍內振蕩減弱比常規的PID控制具有更好的動態特性和穩定性。
??? 針對當前空調制冷主要靠壓縮機的運轉，利用氟利昂兩態的變化吸收熱量來降溫進而消耗大量的電能這一缺點，本文設計了一種利用冬季室外冷源，基于模糊PID算法的移動基站溫度控制系統。該系統利用飛思卡爾(Freescale)S12型微處理器為控制核心實現了機房溫度、濕度的實時自動控制。MATLAB仿真結果表明，該系統既能保證溫度調節的快速性，又能滿足系統的穩定性，達到有效地節能的作用。
??? 該控制系統具有穩定、智能化、實時監測、溫度控制精度高，突出的節能效果必將在未來的市場發揮卓越的作用。
參考文獻
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[3]?邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法. 北京：清華大學出版社，2004.
[4]?施俊良. 室溫自動調節原理和應用. 北京：中國建筑工業出版社，1983.
[5]?吳振順，姚建均，岳東海. 模糊自整定PID控制器的設計及其應用，哈爾濱工業大學學報，2004，36(11).
[6]?張穎超，郭妹梅.MATLAB及其在模糊控制系統仿立中的應用，系統仿真學報，2001.11
[7]?儲岳中，陶永華.基于MATLAB的自適應模糊PID控制系統計算機仿真，安徽工業大學學報，2001.
[8]?Ysunobu S, Mianiot S. Automatic train operation by predications fuzzy control, in sugeno(Hrsy.) industrial Automatic train operation of fuzzy control(1985).1一18.
[9]?Huang S M, Nelson. A PID-Law-Combining Fuzzy Controller for HVAC Applications, ASHRAE Trans. Research. 1991, 97(2):768-774.