摘要：為解決傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中布線帶來的不便及傳統(tǒng)PID控制適應(yīng)性、魯棒性差的問題，設(shè)計(jì)出一種將WLAN技術(shù)和單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比較，該系統(tǒng)利用WLAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性、可移動(dòng)性，降低以往布線所需消耗的人力物力，運(yùn)用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，使系統(tǒng)獲得無靜差、無超調(diào)、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。研究結(jié)果表明，將兩者結(jié)合后，原來空調(diào)系統(tǒng)存在的問題基本解決，而且性能得到了明顯改善。
關(guān)鍵詞：WLAN技術(shù)；單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制；空調(diào)系統(tǒng)；魯棒性

    近幾年來，智能建筑(Intelligence Building)在我國(guó)得到了很大的發(fā)展。在智能建筑中，樓宇自控系統(tǒng)(Building AutomationSystem，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(duì)目前空調(diào)系統(tǒng)中存在的布線施工周期長(zhǎng)、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(shí)際課題，提出了WLAN技術(shù)代替原有的RS485總線及Lonworks總線等總線方案，將上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)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(fèi)用，并獲得了系統(tǒng)重新布置時(shí)的可移動(dòng)性。針對(duì)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、抗干擾和魯棒性強(qiáng)等多方面的要求，運(yùn)用了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法，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(cè)新風(fēng)、回風(fēng)的溫濕度，經(jīng)過單元控制器的計(jì)算比較，確定系統(tǒng)空氣處理機(jī)的運(yùn)行工況，并輸出相應(yīng)的信號(hào)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(shí)，切斷風(fēng)機(jī)電路停止風(fēng)機(jī)運(yùn)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(shí)由現(xiàn)場(chǎng)控制器輸出報(bào)警信號(hào)。本文主要研究的是對(duì)溫濕度的控制問題。

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

    現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(jī)處理。控制器采用PID等算法對(duì)空調(diào)末端組各種閥門進(jìn)行控制，并負(fù)責(zé)各采樣點(diǎn)的溫濕度采樣值的顯示與上傳。
    現(xiàn)場(chǎng)控制器的設(shè)計(jì)主要包括：AT89S52單片機(jī)、輸入、輸出電路，4x4點(diǎn)陣鍵盤電路，存儲(chǔ)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。

    WLAN控制模塊的設(shè)計(jì)：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(qǐng)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(shí)，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(shí)，它的通訊范圍有可能超過20km(開闊空間)。

3 軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)系統(tǒng)功能要求，軟件設(shè)計(jì)分為兩部分：
    現(xiàn)場(chǎng)控制器的軟件設(shè)計(jì)主要由數(shù)據(jù)采集程序、初始化程序、算法控制運(yùn)算程序、參數(shù)發(fā)送及顯示程序、故障診斷報(bào)警程序等組成。軟件功能為實(shí)時(shí)采集溫濕度、設(shè)備報(bào)警、風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)等模擬、數(shù)字信號(hào)，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(jī)控制軟件包括數(shù)據(jù)庫(kù)(用DELPHI編程)，溫濕度查詢、接收火盜警信號(hào)，然后進(jìn)行相應(yīng)處理后給下位機(jī)即現(xiàn)場(chǎng)控制器發(fā)出指令，并對(duì)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(jiǎn)單，易于計(jì)算。傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器也具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)。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(duì)一些參數(shù)時(shí)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(shí)際值與給定值的偏差，e(t)=yr-y；Kp為比例增益；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。當(dāng)采用周期T。較短時(shí)，離散化后，可得常規(guī)PID控制的增量型算式為：
   
    結(jié)合以上的常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的控制機(jī)理，一個(gè)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。

    圖中狀態(tài)變換器的輸入為系統(tǒng)的輸出偏差信號(hào)e(k)，yr為設(shè)定輸入，y為過程的實(shí)際輸出，ri為性能指標(biāo)或遞進(jìn)信號(hào)，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(gè)狀態(tài)變量xi(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(xiàng))，x2(k)反映了系統(tǒng)誤差的一階差分(相當(dāng)于比例項(xiàng))，x3(k)反映了系統(tǒng)誤差的二階差分(相當(dāng)于微分項(xiàng))。本文的控制策略如下：

    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(duì)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能的。考慮到加權(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，即：
   
    式(6)、(7)中ri(k)——遞進(jìn)信號(hào)或?qū)W習(xí)信號(hào)，ri(k)隨過程進(jìn)行逐漸衰減；z(k)——輸出誤差信號(hào)，z(k)=y，(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(shí)，wi(k)可收斂到某一穩(wěn)定值，且與期望值的偏差在允許范圍內(nèi)。
    為保證上述控制學(xué)習(xí)算法的收斂性和魯棒性，對(duì)上述學(xué)習(xí)算法進(jìn)行規(guī)范化處理，得：

    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(hào)所反映的誤差與環(huán)境的變化來對(duì)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(qiáng)魯棒性。

5 結(jié)束語
    根據(jù)以上設(shè)計(jì)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(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(dòng)性。同時(shí)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(diǎn)。